Transferencia por cortocircuito

La transferencia por cortocircuito ocurre con una longitud del arco suficientemente corto (baja tensión) que posibilita el contacto con el baño de fusión del metal líquido en la punta del electrodo antes que ocurra su desprendimiento (Modenesi, 2004). Esta forma de desprendimiento es más utilizada en la soldadura con corrientes bajas. Así mismo, la punta del electrodo, formada por una gota del metal fundido alcanza periódicamente el baño de fusión, ocasionando un cortocircuito y la extinción del arco. Durante el cortocircuito, la corriente tiende a elevarse rápidamente, causando una mayor fusión del electrodo por efecto Joule y, al mismo tiempo, el metal fundido tiende a ser transferido hacia el baño de fusión por la acción de la tensión superficial y de las fuerzas de origen magnético. Finalmente, el cortocircuito se rompe (puede ocurrir de una forma más o menos violenta con la vaporización de parte del material entre el electrodo y el baño de fusión y la formación de salpicadura) y el arco es restablecido. La figura 2.9 ilustra el proceso descrito, conjuntamente con oscilogramas esquemáticos de corriente y voltaje asociados a este tipo de transferencia. En la misma, el arco inicia en el período E-I, el cortocircuito ocurre en el período A-E y en el instante E ha sido reiniciado el arco. La figura 2.10 muestra imágenes obtenidas de una grabación de alta velocidad.

Figura 2.9. Ciclo de transferencia por cortocircuito (AWS, 2001)

Establece Modenesi (2004) que, para que la longitud del arco se reduzca, posibilitando la corriente del cortocircuito, la tasa de fusión del período del arco debe ser menor que la velocidad de alimentación del alambre, esto es descrito por la expresión 2.6:

𝑤 = 𝑤𝐶∗ 𝐹𝐶+ 𝑤𝐴∗ (1 − 𝐹𝑐) = 𝑓 (2.6)

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wC > wA (2.7)

Donde w y f son las tasas de fusión y alimentación respectivamente, A y C se refieren a los períodos de arco y cortocircuito en el mismo orden y FC es el factor de cortocircuito, esto es, la fracción de tiempo en que el proceso opera en cortocircuito.

Figura 2.10. Imágenes obtenidas a partir de la grabación de alta velocidad de la transferencia por cortocircuito (Modenesi, 2004)

La fuerza principal que actúa sobre la gota, durante la transferencia cortocircuito, es la derivada de la tensión superficial del metal fundido (Scotti & Ponomarev, 2008). Pero hay que considerar otra fuerza actuante, la que resulta del efecto Pinch, que puede actuar a favor o en contra de la transferencia. El efecto Pinch actúa en el sentido de separar un elemento de mayor sección transversal (por ejemplo, gota o baño de fusión) de un elemento con sección transversal menor (por ejemplo, en el punto de contacto entre gota-baño); el componente radial de la fuerza electromagnética tiende a comprimir el área de contacto, mientras que el axial tiende a separar la gota de la superficie del baño de fusión. Por lo tanto, durante la fase inicial del cortocircuito, la forma del puente gota-baño favorece el efecto Pinch en contra de la transferencia, aún con baja intensidad de corriente. Pero al final del cortocircuito, poco antes de que la gota se transfiera, se forma un emparejamiento entre la gota en transferencia y la punta del alambre, debido a la tensión superficial. El alto valor de la corriente y la pequeña área de la sección transversal en esta región provocan un aumento de la acción del efecto Pinch, ahora facilitando la transferencia final de la gota al baño

30 metálico. El calentamiento súbito del puente de metal líquido entre el electrodo y el baño de fusión colabora para su ruptura (como en un fusible eléctrico), bajo el efecto de la elevación de la corriente. Según Modenesi (2004) este es el modo de transferencia más comúnmente utilizado en la soldadura GMAW de aceros al carbono con mezclas de protección rica en CO2 y con alambres de pequeño diámetro (0,8 a 1,2 mm). Mientras que Jurandir (2014) establece que el gas protector más común en la transferencia metálica por cortocircuito para alambres electrodos de aceros al carbono es 75 % Ar y 25 % CO2.

Establece Jurandir (2014), que como resultado de la corriente más baja, la entrada de calor se reduce considerablemente, lo que hace posible soldar materiales más finos mientras se reduce la cantidad de distorsión y tensión residual en la zona de soldadura. Este tipo de transferencia de metal proporciona una mejor calidad de soldadura y menos salpicaduras que la transferencia globular, y permite soldar en todas las posiciones, con una deposición más lenta del material de soldadura. Se reconoce porque el arco es corto, suele haber proyecciones y hay un zumbido característico. El metal de aporte pasa del alambre electrodo a la unión durante el proceso en el período en que el alambre hace contacto con el baño fundido, manteniéndose en un marco de 20 a 200 veces por minuto.

Según Modenesi (2004), durante el cortocircuito, la corriente de soldadura tiende a aumentar rápidamente y la ruptura del contacto total entra el baño de fusión y el electrodo al final del cortocircuito puede ser violento con la vaporización de la porción del material y la formación de salpicaduras. Por otra parte, si durante el cortocircuito, la corriente se eleva muy lentamente, el alambre se puede hundir en el baño de fusión antes de la ruptura de la gota totalmente y el proceso ser interrumpido por el alambre sobrecalentado. Máquinas para soldadura GMAW poseen, en general, un control que permite ajustar la velocidad de aumento (o reducción) de la corriente de soldadura y así mismo, optimizar su variación durante el cortocircuito. En las fuentes convencionales, este control envuelve un circuito magnético variable siendo conocido como ‘’inductancia’’.

Durante la soldadura, a medida que el alambre electrodo hace contacto con el baño, la intensidad de corriente aumenta por disminuir la resistencia eléctrica y seguirá aumentando si no se forma el arco. La velocidad de aumento de corriente debe ser lo suficiente para permitir la transferencia en el extremo del alambre-electrodo las gotas derretidas del material de aporte hacia el material base (AWS, 2001). El aumento de la intensidad de la corriente se controla por medio de un sistema de ajuste situado en la fuente de alimentación. El sistema de ajuste se llama por inductancia y el valor

31 requerido de inductancia es en base a la resistencia eléctrica de circuito de soldadura y del rango de temperatura del alambre electrodo. El voltaje del circuito abierto de la fuente de alimentación debe ser lo suficiente bajo para no permitir la continuación del arco, bajo las condiciones de soldadura existentes. La energía para el mantenimiento del arco durante la soldadura la suministra en parte el sistema de almacenamiento de la inductancia durante el período del cortocircuito. La figura 2.11 muestra un oscilograma típico para este modo de transferencia metálica

Figura 2.11. Oscilograma con alta inductancia, alambre AWS E70S6, 1,2 mm con alimentación de 4 m/min, gas: Ar + 4 % CO2 (Modenesi, 2004)

En la figura 2.12 se muestra el comportamiento de las señales de corriente y de voltaje durante el modo de transferencia por cortocircuito (Scotti & Ponomarev, 2008). Se puede observar que la tensión cae bruscamente cuando la gota toca la pieza (inicio del cortocircuito) y permanece baja

32 hasta el final del cortocircuito, aunque la corriente aumenta rápidamente, bajando apenas un poco el desprendimiento de la gota.

Figura 2.12. Oscilograma típico de voltaje y corriente durante la transferencia por cortocircuito en función del comportamiento de la formación de la gota y desprendimiento (Scotti & Ponomarev,

2008)

Arias (2013) hizo un estudio sobre estabilidad del arco para proceso GMAW, donde refleja varios oscilogramas de corriente y voltaje obtenidos a partir del monitoreo de experimentos que reflejan el comportamiento de los diferentes modos de transferencia metálica.

En la figura 2.13 se muestra la variación de la corriente y el voltaje en el tiempo para el modo de transferencia por cortocircuito, utilizando un electrodo ER70S6 y como gas de protección una mezcla 98%Ar + 2% O2 (Arias, 2013). Se puede observar que la señal adquirida es periódica y que cuando el voltaje cae a cero la corriente se eleva a más del doble de su valor nominal, en este instante el metal fundido es depositado en el baño de soldadura, con lo cual termina el cortocircuito y se forma de nuevo el arco eléctrico; tanto la corriente como el voltaje vuelven a sus valores nominales, comenzando de nuevo el ciclo de formación de la gota en la punta del electrodo. Los períodos de tiempo para los cuales la corriente y el voltaje tienen mínimos relativos son relativamente iguales en cada repetición de los períodos. Hay algunas ocasiones en que estos tiempos pueden prolongarse, pero se consideran más como una inestabilidad de la señal. Cada aumento de la corriente corresponde a una caída en el voltaje. En los períodos para los cuales no hay extinción del arco la

33 señal tiende a estabilizarse en valores muy cercanos al voltaje de salida de la fuente; esto mismo ocurre con la señal de corriente. Por medio del aporte de calor debido al flujo de la corriente a través del electrodo, se funde una gota de metal en la punta del mismo, la longitud del arco eléctrico se empieza a reducir, este comportamiento se aprecia en la disminución del voltaje y el aumento en la corriente, hasta el instante en que el electrodo toca el baño de soldadura provocando el cortocircuito. UW = 19 V

Figura 2.13. Señal de corriente y voltaje para el electrodo ER70S6 en cortocircuito (Arias, 2013) Otro ejemplo de estudio de señales de corriente y voltaje (figura 2.14) en la transferencia por cortocircuito fue llevado a cabo por López & León (2014). La figura refleja un esquema de la posición relativa entre el electrodo y el charco de soldadura durante el ciclo de transferencia de metal y el comportamiento de las señales de corriente y voltaje en el tiempo.

34 Figura 2.14. Esquema de la posición del electrodo y el charco de soldadura para el modo de transferencia cortocircuito sincronizado con las señales de corriente y voltaje (López & León, 2014)

Variantes del proceso GMAW en el modo de transferencia por cortocircuito Transferencia por Tensión Superficial

El proceso con Transferencia por Tensión Superficial (en inglés Surface Tension Transfer, siglas STT) es una variante del proceso GMAW donde ocurre transferencia por cortocircuito controlado. Este fue desarrollado y patentado por la Lincoln Electric (2003). A diferencia de las máquinas de voltaje contante (CV) GMAW estándar, la máquina STT no tiene mecanismo de control de voltaje. STT usa los controles de corriente para ajustar el calor, independientemente de la velocidad de alimentación del alambre, por lo que los cambios en la extensión del electrodo no afectan el calor. Según la Lincoln Electric (2006), STT es un proceso GMAW con transferencia por cortocircuito controlado, que usa controles de corriente para ajustar el calor independientemente de la velocidad de alimentación de alambre, lo que resulta en un mejor desempeño del arco, buena penetración, control de baja entrada de calor, reducidas salpicaduras y emanaciones. Este tipo de soldadura es común en las industrias petroquímica y en tuberías de proceso. Este es un proceso de elección para soldaduras de baja entrada de calor y es ideal para raíz abierta en tubería y placa, material de bajo calibre en la industria automotriz, acero inoxidable y aleación de níquel en industrias, petroquímica, servicios públicos y de alimentos, bronce al silicio en la industria automotriz, acero galvanizado, aplicaciones semiautomáticas y robóticas. Se usa en la soldadura de raíz abierta para tubería y soldadura de placa de un solo lado en situaciones que impiden la soldadura en ambos lados del

35 material. El proceso STT hace que las soldaduras que requieren baja entrada de calor sean mucho más fáciles sin sobrecalentarse, lo que minimiza la distorsión del metal base. Las salpicaduras y los humos se reducen porque el electrodo no se sobrecalienta, incluso con alambre de mayor diámetro y 100 % de gas de protección de CO2.

Según DeRuntz (2003), con este proceso se rediseñó una reducción en los costos de operación a través del uso de electrodos de mayor diámetro y menos costosos, gas protector de CO2 menos costoso y reduciéndose las salpicaduras. El uso de un alambre de mayor diámetro reducirá el tiempo de soldadura real y mejorará la productividad. También se pueden obtener ahorros significativos, ya que el proceso STT funciona con el gas CO2 menos costoso cuando se usan aleaciones de acero. La reducción de salpicaduras se traduce en un ahorro significativo de costos debido a que se requiere menos "limpieza" de la unión y un mayor aprovechamiento del consumible. A lo anterior se suma el ahorro en tiempo de soldadura empleado en la limpieza de la boquilla de la pistola para eliminar la acumulación de salpicaduras. En la figura 2.15 se muestra el comportamiento de la corriente durante este proceso.

Figura 2.15. Ciclo de transferencia por transferencia superficial (Lincoln Electric, 2003) Una corriente de fondo entre 50 y 100 A mantiene el arco y contribuye al calentamiento del metal base (Lincoln Electric, 2003). Después de que el electrodo inicialmente se acerque al metal base, la corriente se reduce rápidamente para garantizar un cortocircuito macizo. Luego, se aplica una corriente pico (pinch current) para desprender el metal fundido hacia el baño de soldadura, mientras se monitorea el puente líquido a partir de señales eléctricas. Cuando el puente líquido está a punto de romperse, la fuente de energía reacciona reduciendo la corriente a aproximadamente 45 - 50 amperios. Inmediatamente después del restablecimiento del arco, se aplica una corriente máxima para producir una fuerza de plasma que empuja hacia abajo el baño de soldadura para evitar cortocircuitos accidentales y para calentar el charco y la unión. Finalmente, el control de salida (tail

36 – out) se ajusta para regular la entrada de calor general. La corriente de fondo sirve como un control fino o preciso de calor.

Transferencia de Metal en Frío

El proceso de Soldadura por Transferencia de Metal en Frío (Cold Metal Transfer en inglés – siglas CMT) es la evolución del proceso GMAW, incorporando un arco corto, con una nueva técnica para desprender las gotas de metal de aporte, la cual logra transferir el metal con una muy baja intensidad de calor en comparación a otros procesos convencionales (Marulanda, et al. 2007). El desprendimiento de la gota de metal ocurre con la ayuda de la energía que se produce en cada corto circuito y está asociada al alto flujo de corriente, ya que por primera vez el movimiento del alambre es incorporado y controlado en el proceso, logrando el desprendimiento de la gota de metal cuando la corriente está cercana a cero, debido al movimiento hacia atrás del alambre. La principal innovación en la CMT es el movimiento del alambre el cual está estrechamente controlado como parte integral del proceso de soldadura. Cada vez que se produce el cortocircuito, el controlador digital interrumpe el proceso de toma de corriente y el alambre se retrae, lo cual ayuda al desprendimiento de la gota (figura 2.16). Este movimiento hacia adelante y hacia atrás se lleva a cabo con una frecuencia de hasta 70 veces por segundo.

Figura 2.16. Diagrama de transferencia metálica en frío (CMT) (Pickin, et al. 2011)

En este proceso de soldadura es posible utilizar todos los metales base y de aporte conocidos en el proceso GMAW (Marulanda, 2008). También se puede aplicar en todas las posiciones y en todos los tipos de soldadura. Trabaja en espesores de lámina de 0,3 mm y con velocidad de avance hasta de 1,5 m/min. Además del ahorro de energía, puede unir acero galvanizado con aluminio. Como resultado de la menor entrada de calor, existe un 50 por ciento de reducción en la distorsión del metal, que reduce significativamente la necesidad de tiempo y de mano de acabado. Este proceso es libre de salpicaduras, que ayuda a minimizar el tiempo de acabado requerido, lo que supone una mayor precisión y mayor rapidez de soldadura. La unión de aluminio con acero puede mejorar las características de los componentes utilizados en aplicaciones industriales. Especialmente en la industria automotriz, la unión de estos dos metales minimiza el consumo de energía mediante la

37 reducción de peso. Hasta hace poco, la mecánica de unión de estos dos metales era atornillar, remachar, entre otros. La unión térmica ha sido fuertemente restringida debido a la formación de la fase intermetálicas, las cuales son muy frágiles y por lo tanto deterioran las propiedades mecánicas de esas uniones. El proceso CMT ha logrado unir acero con aluminio, sin la formación de estas fases intermetálicas, obteniendo cordones de alta calidad.