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Centro de Investigación de soldadura (CIS)

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Centro de Investigación de soldadura (CIS)

Título: Influencia del régimen en el comportamiento operacional del proceso

de soldadura GMAW

Autor: Luis Alberto Mora Díaz

Tutores: Dr. C. Juan A. Pozo Morejón

Dra. C. Tamara Ortiz Méndez

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Welding Research Center (CIS)

Title:

Influence of the regime in the operational behavior of the GMAW

welding process

Author: Luis Alberto Mora DÍaz

Thesis Director: Dr. C. Juan A. Pozo Morejón

Dra. C. Tamara Ortiz Méndez

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Este documento es Propiedad Patrimonial de la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas,

y se encuentra depositado en los fondos de la Biblioteca Universitaria “Chiqui Gómez Lubian”

subordinada a la Dirección de Información Científico Técnica de la mencionada casa de altos

estudios.

Se autoriza su utilización bajo la licencia siguiente:

Atribución- No Comercial- Compartir Igual

Para cualquier información contacte con:

Dirección de Información Científico Técnica. Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas.

Carretera a Camajuaní. Km 5½. Santa Clara. Villa Clara. Cuba. CP. 54 830

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I

PENSAMIENTO

“Sin embargo, como un hombre que camina solo y en la oscuridad, yo decidí ir tan lento y cuidadosamente que si no avanzaba por lo menos estaba seguro de no caer”

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II

DEDICATORIA

Esta investigación va dedicada muy especialmente a mis padres Luis y Tayamy, por haberme dado la vida y la oportunidad de poder formarme como persona y como profesional; sin duda alguna la culminación de esta etapa no hubiese sido posible sin el cariño y el apoyo de ellos, que con su ejemplo y sacrificio me ayudaron a sobrellevar todos los problemas y dificultades que se presentaron durante el transcurso de la carrera.

A mi hermana, por su presencia, apoyo y cariño.

A mi novia, por su compañía, confianza y amor.

Para finalizar, deseo agradecer a todos los profesores, compañeros y amigos, que me han apoyado durante toda mi carrera.

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III

AGRADECIMIENTOS

Agradezco en primer lugar e infinitamente a mis padres por darme el ejemplo, el apoyo incondicional en todo momento y en general a toda mi familia. A todos los profesores que fueron parte importante en el desarrollo de mi formación, especialmente a mis tutores Dr. C. Juan A. Pozo Morejón, Dr. C. Tamara M. Ortiz Méndez y a los compañeros del CIS Alexis Delgado y Misael Rodríguez.

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IV

Resumen

En la presente investigación se realizó un estudio del comportamiento operacional del proceso de soldadura GMAW. Para su realización se utilizaron varios métodos y técnicas enfocados principalmente en el análisis documental para la recogida de la información sobre el contenido abordado. En el mismo se estudió teóricamente el efecto de los parámetros del régimen de soldadura en la geometría de la costura, así como en la razón de depósito y la eficiencia del proceso GMAW. Se estudiaron además experiencias que relacionan los modos de transferencia metálica y los parámetros de consumo. Se realizó una recopilación de estudios sobre las señales de corriente y voltaje del arco, para cada modo de transferencia metálica. Basado en lo anterior se diseña un plan experimental como base para un estudio futuro que permita determinar los parámetros de consumo y diferentes modos de transferencia del proceso, utilizando como variables de entrada la corriente de soldadura, el diámetro del electrodo y la composición del gas protector. Para tal caso se propuso utilizar un electrodo clasificado por la AWS como ER 70S-6, variando el diámetro en 0,8 y 1,2 mm. Para las muestras de ensayo se seleccionó una chapa de material ASTM A 36, de dimensiones 300 mm x 80 x 8 mm, sobre la cual se depositarán los cordones de soldadura en posición plana. Fue determinado el régimen de soldadura para cada punto experimental.

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V

Abstract

In the research, a study of the operational behavior of the GMAW welding process was carried out. With this objective, several methods and techniques were used, mainly focused on the documentary analysis for the information collection on the content addressed. The welding regime parameters effect on the geometry of the weld, as well as the deposition ratio and the efficiency of the GMAW process were theoretically studied. Experiences, that relate the metallic transfer modes and the consumption parameters, were also studied. A compilation of studies on the arc current and voltage signals, for each metallic transfer mode, was made. On that basis, an experimental plan was designed, as the basis for a future study that allows to determine the consumption parameters and different modes of process transfer, using the welding current, the diameter of the electrode and the composition of the shielding gas as input variables. For such case an electrode classified by the AWS as ER 70S-6 was proposed, varying the diameter in 0,8 and 1,2 mm. For the specimen, a sheet of ASTM A 36 material of dimensions 300 mm x 80 x 8 mm was selected, on which the welds will be deposited in a flat position. The welding regime for each experimental point was determined.

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VI

Tabla de Contenido

Introducción ... 1

Capítulo I. Generalidades del proceso de soldadura por arco con electrodo metálico fusible y protección gaseosa (GMAW)... 5

1.1. Características generales del proceso GMAW ... 5

1.1.1 Gases de protección ... 7

1.2. Influencia de los parámetros de soldadura GMAW en la geometría de la costura ... 9

1.2.1. Influencia de la corriente de soldadura - velocidad de alimentación del alambre ... 10

1.2.2. Influencia del voltaje del arco ... 11

1.2.3. Influencia de la velocidad de soldadura ... 11

1.2.4. Influencia de la inclinación de la pistola ... 12

1.2.5. Influencia de la polaridad de la corriente ... 14

1.2.6. Influencia de la longitud libre del electrodo ... 14

1.2.7. Influencia de la composición de los gases de protección ... 15

1.2.8. Influencia de la distancia pieza – boquilla de contacto ... 16

Capítulo II. La transferencia metálica en el proceso GMAW ... 18

2.1. Modos de transferencia metálica en el proceso GMAW ... 18

2.1.1. Transferencia por cortocircuito ... 28

2.1.2. Transferencia globular ... 37

2.1.3. Transferencia spray ... 42

2.1.4. Transferencia por arco pulsado ... 50

2.2. Condiciones de soldadura para el establecimiento de los diferentes modos de transferencia metálica ... 57

2.3. Procedimientos para la determinación de los modos de transferencia ... 61

2.3.1. Estudio de las señales acústica del arco ... 62

Capitulo III. Parámetros de consumo del proceso GMAW ... 66

3.1. Parámetros de consumo en los procesos de soldadura ... 66

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VII

3.2.1. Razón de depósito en el proceso GMAW ... 68

3.2.2. Razón de fusión en el proceso GMAW ... 77

3.2.3. Eficiencia de deposición en el proceso GMAW ... 80

3.3. Establecimiento del plan experimental para el estudio del comportamiento operacional en el proceso GMAW. ... 83

3.3.1. Consumibles y equipos ... 84

3.3.2 Variables del régimen ... 88

3.3.3 Muestras de ensayo... 96

3.4. Variables respuesta del estudio ... 96

Conclusiones ... 97

Recomendaciones ... 98

Bibliografía ... 99

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Introducción

Las definiciones básicas del proceso de soldadura por arco, con electrodo fusible y protección gaseosa (GMAW por sus siglas en inglés) fueron introducidas en los años 20, pero no fue hasta 1948 que en USA el Battele Memorial Instituto, con auspicio de la Air Reduction Company, llevó a feliz término el desarrollo del proceso (Pozo, et al. 2017). Ellos desarrollaron un proceso similar al GTAW, pero sustituyeron el electrodo de tungsteno por un alambre electrodo que se alimentaba continuamente. En 1953, en la antigua URSS, Lyubavskii y Novoshilov patentaron el empleo de gas CO2 en dicho proceso.

En las últimas décadas el proceso GMAW se ha convertido en el de mayor utilización del campo de la soldadura por arco eléctrico, sustituyendo en forma masiva la soldadura manual con electrodo revestido (SMAW), particularmente en los países altamente industrializados (Nazdam, 2015). El mismo se aplica para la soldadura de todos los metales y aleaciones de mayor comercialización, lo que incluye los aceros al carbono, aleados e inoxidables, los hierros fundidos, aleaciones base níquel, aluminio, magnesio, cobre, titanio y zirconio (AWS, 2004). En cuanto al rango de espesores se pueden soldar metales desde 0,5 mm de espesor en adelante (hasta un espesor prácticamente ilimitado). Es un proceso que tiene alta productividad a un costo que es relativamente bajo (García, 2015). Se puede emplear con tres niveles de automatización diferentes, semiautomático, mecanizado y automático (AWS, 2004), siendo el primero el más común en ambientes industriales. El comportamiento operacional de este proceso está determinado por el régimen de soldadura empleado y la composición de los gases de protección, lo cual, dada sus disímiles variables, complejiza la elaboración de procedimientos de soldadura para aplicaciones específicas. Es posible encontrar en la literatura recomendaciones de regímenes (en amplios rangos de variables) y composición de los gases (Sabo, 1994). También se cuenta con la metodología elaborada en el Instituto Politécnico de Kiev para la determinación del régimen en aceros al carbono y con protección de CO2,la cual se completó y mejoró por Pozo, et al (2017). No obstante, debido a la multiplicidad de efectos de las distintas variables del proceso, es aún insuficiente la información disponible al respecto.

A lo anterior se suma el desarrollo reciente de diferentes variantes del proceso GMAW, tales como el proceso de soldadura en frío (CMT), el de transferencia por tensión superficial (SST), entre otros, las cuales se sustentan en el empleo de equipamientos y accesorios asociados que garantizan el control de la transferencia metálica (García, 2015). Estos permiten la aplicación del proceso en un rango más diverso de espesores, metales base y posiciones de soldadura. La descripción de estos

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2 procesos y equipamientos, así como sus aplicaciones, no se encuentra compilada en ninguna fuente bibliográfica específica, si no que se reporta de manera aislada en artículos o boletines técnicos, lo cual dificulta su acceso.

Las transformaciones en la economía mundial resultan en constantes exigencias por la calidad y productividad a bajo costo, factores que aseguran la competitividad en el ambiente industrial (Garcia y Scotti, 2011). Parámetros de consumo como la razón de fusión y de depósito poseen un papel importante en la capacidad productiva de cada proceso de soldadura. Sin embargo, tales características sufren fuerte influencia de variables del régimen, fundamentalmente la corriente y la tensión, las cuales, según Scotti & Ponomarev (2008), tienen un efecto directo en la formación del cordón y en el tipo de transferencia metálica. El cálculo del costo de la soldadura GMAW se basa generalmente en los parámetros tales como la razón de depósito y la eficiencia, los cuales se obtienen por medios prácticos o se asumen según las recomendaciones de catálogos, libros u otros (Pozo, et al. 2017). Estos cálculos tienen como objetivo suministrar los datos necesarios para tasar o establecer el precio de un trabajo de soldadura, comparar la economía de la soldadura con respecto a otros métodos de fabricación, establecer la información requerida al decidir entre diseños alternos y comparar las ventajas económicas de diversos procesos de soldadura. A pesar de esto, no se reporta una norma específica para la determinación de los parámetros de consumo en el proceso GMAW y son escasos los datos sobre estos parámetros, su variación con los regímenes y los gases de protección, reportados en artículos u otros trabajos científico técnicos. Subramanian, et al. (1998) plantean que el modo de transferencia metálica influye directamente en las características operativas, la eficiencia y la capacidad productiva del proceso. A la vez el modo de transferencia está determinado por el régimen y la composición de los gases (Scotty & Ponomarev, 2008). Lo anterior evidencia el efecto de estas variables del régimen en la productividad y la eficiencia del proceso, por tanto es indudable la necesidad de un estudio para determinar la influencia del régimen en estos parámetros, dada su implicación en la precisión de los cálculos económicos.

A partir de lo anterior se establece el siguiente objetivo general:

Realizar un compendio de información acerca de los diferentes factores que influyen en el comportamiento operacional del proceso GMAW en la soldadura de aceros al carbono y baja aleación.

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3 - Analizar el marco teórico relacionado con las particularidades del proceso de soldadura GMAW, las diferentes variantes del proceso, los tipos de consumibles y las variables del régimen de soldadura, así como su influencia en la geometría de la costura.

- Obtener un compendio de información acerca de los diferentes modos de transferencia metálica que se obtienen con el proceso GMAW, las variables del régimen que las condicionan, así como los métodos para su estudio.

- Obtener un compendio de información acerca de la influencia del régimen de soldadura en los parámetros de consumo y su relación con la transferencia metálica.

- Desarrollar una propuesta de estudio para la determinación de los parámetros de consumo del proceso GMAW para la soldadura de aceros al carbono.

Tareas:

- Revisión del estado del arte acerca de las características generales del proceso GMAW, la influencia del régimen en la geometría de la costura y las diferentes variantes modernas del proceso.

- Estudio teórico de los modos de transferencia metálica que se obtienen en el proceso GMAW y su relación con los parámetros de consumo.

- Búsqueda de información acerca de los procedimientos empleados para la determinación de los parámetros de consumo de electrodos en procesos GMAW.

- Revisión bibliográfica sobre la influencia de los parámetros del régimen y la composición del gas de protección en los parámetros de consumo.

- Diseño de un plan experimental para la determinación de los parámetros de consumo en el proceso GMAW para la soldadura de aceros al carbono.

El trabajo se sustenta en diferentes métodos de investigación científica, los cuales se describen a continuación.

Inductivo-Deductivo:

- En la confección del marco teórico de la investigación se realizaron análisis de casos de diferentes investigaciones sobre el efecto de los parámetros del régimen GMAW y la composición de los gases de protección sobre la geometría dela costura, los parámetros de consumo y los modos de transferencia metálica, lo cual permitió llegar a conclusiones acerca de la influencia de estas variables en el comportamiento operacional del proceso.

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4 - Permitió entender la esencia del proceso GMAW y encontrar nexos entre las variables del régimen y el comportamiento operacional, con vistas a la planificación de la experimentación para este estudio.

Hipotético – Deductivo:

- Mediante su empleo se determinaron las variables fundamentales que influyen en el comportamiento operacional del proceso GMAW

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Capítulo I. Generalidades del proceso de soldadura por arco con electrodo metálico

fusible y protección gaseosa (GMAW)

1.1. Características generales del proceso GMAW

El proceso de soldadura por arco eléctrico con electrodo metálico fusible y protección gaseosa (Gas Metal Arc Welding según clasificación ANSI/AWS A 3.0-89, siglas GMAW), es un proceso cuyo principio de operación se basa en la alimentación automática de un electrodo continuo, consumible, el cual establece un arco eléctrico con la pieza de trabajo, protegido mediante un gas de procedencia externa (García, 2009). Los únicos controles manuales que el soldador posee para la operación semiautomática son los de velocidad y dirección del desplazamiento, así como también el posicionamiento de la pistola.

En el proceso GMAW (figura 1.1) el calor del arco generado entre el electrodo consumible y la pieza es utilizado para fundir las superficies del metal base y el extremo del electrodo (García, 2009). El metal fundido del electrodo es transferido hacia la pieza a través del arco, donde se convierte en metal de la costura. El gas de protección, que puede ser inerte, activo o una mezcla de ambos, envuelve el área del arco para protegerlo de contaminantes de la atmósfera. La fuente de energía recomendada es del tipo de tensión constante, la cual según Lincoln Electric (2002) es particularmente ventajosa para ser empleada en procesos semiautomáticos o automáticos donde se aplica el principio de autorregulación del arco eléctrico.

Figura 1.1. Diagrama esquemático del proceso de soldadura GMAW (Dolores, 2019)

El metal de aporte (alambre-electrodo) puede ser macizo o tubular de núcleo metálico, su diferencia radica en que este último se compone de dos secciones: un núcleo compuesto de elementos de aleación pulverizados y una envoltura metálica (Romero & Olaya, 2013). Estos consumibles, para

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6 su aplicación en la soldadura de aceros al carbono y de baja aleación, son clasificados por la AWS A5.18-93 y A5.28-96, respectivamente. Se emplean diámetros pequeños de alambres (0,6 – 2,4 mm) los que se suministran en bobinas para colocar directamente en los sistemas de alimentación (Lincoln Electric, 2002). Los alambres de acero reciben a menudo un ligero recubrimiento de cobre con el objetivo de mejorar el contacto eléctrico y la resistencia a la corrosión, además de disminuir el rozamiento con los distintos elementos del sistema de alimentación y la pistola.

El sistema GMAW requiere de un equipamiento como el mostrado en la figura 1.2 (Indura, 2002), compuesto por los siguientes elementos:

1. Una fuente de corriente.

2. Un alimentador que controla el avance del alambre a la velocidad requerida. 3. Una pistola de soldar para dirigir directamente el alambre al área de soldadura. 4. Un gas protector, para evitar la contaminación del baño de soldadura.

5. Un carrete de alambre de tipo y diámetro específico.

Figura 1.2. Equipamiento básico para el proceso GMAW (Indura, 2002)

Las ventajas de este proceso son la posibilidad de utilización para el soldeo de cualquier tipo de material (AWS, 2001). El electrodo es continuo, lo que favorece la productividad al no ser necesario interrumpir la soldadura para cambiar de electrodo. También se obtienen mayores tasas de depósito

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7 y se pueden conseguir velocidades de soldeo mucho más elevadas que con proceso manual por arco con electrodo revestido (SMAW).

Mediante GMAW se puede realizar el soldeo en cualquier posición, así como soldaduras largas, sin que existan empalmes entre cordones, evitando así las zonas de peligro de imperfecciones. No se requiere eliminar la escoria ya que esta no existe.

Dentro de las desventajas del proceso está la complejidad y el costo elevado del equipo de soldeo, comparado con el requerido en el proceso SMAW (Lincoln Electric, 2002). Es difícil de aplicar en zonas de acceso restringido de las piezas, requiere conducciones de gas y de agua de refrigeración, tuberías, botellas de gas de protección, por lo que no puede emplearse en lugares relativamente alejados de la fuente de energía. Además, el arco de soldadura es sensible al viento y a las corrientes de aire, por lo que su aplicación en espacio abierto es limitada.

Los parámetros del régimen con mayor influencia en las propiedades finales de la costura soldada y por tanto de la calidad de la soldadura son los siguientes (Pozo, et al. 2017):

 Diámetro del alambre electrodo (de)  Velocidad de Soldadura (vs)

 Corriente de Soldadura (Is)  Voltaje de arco (Va)

 Distancia pieza-boquilla de contacto (DPBC)  Velocidad de alimentación del alambre (ve)  Flujo de gas protector (Qgas)

 Número total de pasadas (N)  Gas de protección

La mayoría de estas variables no son independientes ya que el cambio de una de ellas produce o implica el cambio de alguna de las otras. El conocimiento y control de estos parámetros es esencial para obtener soldaduras de calidad.

1.1.1 Gases de protección

El objetivo fundamental del gas de protección en el proceso GMAW es impedir que la atmósfera entre en contacto con el metal de soldadura fundido (Bazán, 2002). Esto es necesario porque la mayor parte de los metales, al calentarse hasta su punto de fusión, aumentan la actividad química y con ello la tendencia a formar óxidos y, en menor grado, nitruros. Además, el oxígeno reacciona con el carbono del acero fundido para formar monóxido y dióxido de carbono. Estos diversos productos

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8 de reacción pueden causar deficiencias en la soldadura, como escoria atrapada, porosidad y pérdida de ductilidad del metal de soldadura. Por otra parte, el gas protector y el flujo tienen un efecto importante sobre las características del arco, el modo de transferencia del metal, penetración y perfil del cordón, velocidad de soldadura, acción limpiadora y propiedades mecánicas del metal de soldadura.

En este proceso se utilizan diferentes gases para formar la atmósfera protectora, los que pueden ser gases puros o mezclas de gases (Colectivo de autores del CIS, 2018). Ellos son básicamente de dos tipos:

Gases inertes: Aquéllos que forman una atmósfera inerte por completo y que no ocasionan ningún tipo de reacción con el metal, tales como el argón y el helio.

Gases activos: Son aquéllos que originan algún tipo de reacción en el baño de soldadura. Estos gases por lo general son oxidantes (dióxido de carbono, mezclas de argón con dióxido de carbono, argón con oxígeno y dióxido de carbono con oxígeno).

A continuación, se describen las características de los diferentes gases según (ASM, 1993).

Argón (Ar). El argón puro se usa generalmente en metales básicos no ferrosos, como aluminio, níquel, cobre y aleaciones de magnesio, y en metales reactivos, como el titanio. Este gas de protección proporciona una excelente estabilidad de arco, penetración y perfil de talón al unir estos materiales. Su bajo potencial de ionización da como resultado un encendido fácil del arco. El argón produce una columna de arco contraído con alta densidad de corriente, que concentra la energía del arco en un área pequeña; resultando en una penetración profunda, similar a un dedo.

Dióxido de carbono (CO2). Se usa generalmente solo para soldar acero al carbono. Es fácilmente disponible y relativamente barato. Con su empleo los niveles de salpicaduras y humo son más altos que con las mezclas de argón, por tanto, disminuye la eficiencia de deposición, lo cual se relaciona con el modo de transferencia metálica que provoca. Las superficies de los cordones de soldadura son más oxidadas y de forma irregular. El alto potencial de ionización del dióxido de carbonoy su característica de disociación tras el calentamiento proporcionan una mayor fusión y penetración de la soldadura, a la vez que logran propiedades mecánicas aceptables.

Helio (He). Debido a su alta conductividad térmica, el helio puede proporcionar una entrada de calor adicional al material de base, mientras mantiene una atmósfera inerte. La acción de humectación, la profundidad de fusión y la velocidad de soldadura se pueden mejorar en comparación con niveles

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9 de argón comparables. Esta ventaja se utiliza con mayor frecuencia en la soldadura de secciones de espesores mayores de aluminio, magnesio y aleaciones de cobre.

Argón - oxígeno. La adición de una pequeña cantidad de oxígeno al argón estabiliza en gran medida el arco de soldadura, aumenta la tasa goteo del metal de aporte, disminuye la corriente de transición a spray e influye en la forma del cordón. El baño de soldadura es más fluido y se mantiene fundido por más tiempo, lo que permite que el metal fluya hacia los bordes de la soldadura. Las mezclas más comunes contienen 1, 2, 5 u 8 % de oxígenoen argón. El aumento de oxígeno mejora la estabilidad del arco y hace posible mayores velocidades de soldadura al mejorar la fluidez del charco. A medida que aumenta el nivel de oxígeno, especialmente a partir del 5 %, se produce un aumento de la pérdida de aleación y una mayor probabilidad de socavaduras.

Argón - dióxido de carbono se utilizan principalmente para aceros al carbono y de baja aleación y tienen un uso limitado para los aceros inoxidables. La adición de dióxido de carbono al argón produce resultados similares a la adición de oxígeno, pero también amplía el patrón de penetración a medida que aumenta el contenido de dióxido de carbono. A medida que aumenta el contenido de dióxido de carbono cambia el modo de transferencia metálica en el arco, produciéndose más salpicaduras. Argón – helio. El helio se mezcla a menudo con argón para obtener las ventajas de ambos gases. Estas mezclas se utilizan principalmente para materiales de base no ferrosos, como aluminio, cobre y aleaciones de níquel. El helio aumenta la entrada de calor al material base y, por lo tanto, se utiliza para unir placas gruesas, térmicamente conductoras. A medida que aumenta el porcentaje de helio, aumenta la tensión del arco, las salpicaduras y la relación entre el ancho y la profundidad de soldadura (coeficiente de forma).

Las mezclas más comunes contienen 25, 50 o 75 % de helio y argón. El mayor porcentaje de helio se utiliza para unir material de placa gruesa (> 50 mm o 2 in.), especialmente aluminio y cobre. Se pueden obtener velocidades de soldadura más altas utilizando mezclas reforzadas con helio.

1.2. Influencia de los parámetros de soldadura GMAW en la geometría de la costura

Scotti & Ponomarev (2008) plantean que la formación del cordón se debe a dos efectos, el efecto térmico y efecto mecánico, los cuales ocurren por diferentes mecanismos (Ruiz, 2006), que están influenciados por los parámetros del régimen de soldadura. Estos, según Burneo & Jaramillo (2006), al ser modificadas alteran la configuración o forma del cordón depositado y además afectan las características del arco eléctrico. Varios de estos parámetros tienen una marcada influencia en la configuración y dimensiones de la geometría de la costura. La figura 1.3 muestra las variables afectadas por los diferentes parámetros de soldadura.

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10 Figura 1.3. Características geométricas de un cordón de soldadura: p- altura de penetración, hr- altura de penetración, b- ancho del cordón, Ad- área de refuerzo, Af- área fundida (Modenesi, 2004) Un aspecto importante en el análisis de la geometría de la costura es el coeficiente de forma (p), que es la relación entre el ancho del cordón (b) y la altura de penetración (hp) (figura 1.3) y se calcula por la ecuación 1.1.

p = b / hp (1.1)

1.2.1. Influencia de la corriente de soldadura - velocidad de alimentación del alambre

En la geometría de la costura las dimensiones que son controladas por la corriente de soldadura son la penetración y el área del cordón como se muestra en la figura 1.4.

Figura 1.4. Efecto del aumento de la corriente de soldadura en la geometría de la costura para proceso GMAW (Department of Education & Training, 2008)

Con el aumento de la corriente de soldadura se fortalece la presión de la columna del arco en la superficie del metal líquido, el arco penetra más en el metal base, se acrecienta la energía lineal y la masa fundida del metal del electrodo por unidad de tiempo (Dymov, 1987). Como resultado del aumento de la profundidad de penetración y la cantidad del metal base que se introduce en el metal de la costura, el ancho de la misma prácticamente no varía, mientras que sí aumenta la altura de refuerzo. Esto provoca que el coeficiente de forma de la costura disminuya.

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1.2.2. Influencia del voltaje del arco

En la geometría de la costura las variables que son controladas por el voltaje de arco son el ancho y la altura de refuerzo (figura 1.5). La variación de la tensión modula la forma del cordón, no agrega ni quita el metal aportado.

Figura 1.5. Efecto del aumento del voltaje en la geometría de la costura para proceso GMAW (Department of Education &Training, 2008)

La influencia del voltaje en la geometría de la costura depende en lo fundamental de la longitud de arco y la composición de los gases presentes en la columna del arco (Dymov, 1987). Mientras mayor es la longitud de arco, mayor es entonces el voltaje. El aumento del voltaje de arco provoca el aumento de su movilidad y como resultado de esto crece significativamente el ancho del cordón, disminuye sensiblemente la altura de refuerzo, mientras la profundidad de penetración permanece prácticamente constante en los límites prácticos de variación de voltaje de arco.

Según Jurandir (2014) a medida que aumenta la tensión del arco (longitud del arco), disminuye la altura de refuerzo, mientras el ancho del cordón aumenta. Al aumentar el ancho del cordón, su refuerzo se vuelve más plano y se dice que el metal de la soldadura está "mojado", es decir, el material base se suelda de manera más eficiente.

1.2.3. Influencia de la velocidad de soldadura

La velocidad de soldadura, o velocidad de desplazamiento, afecta específicamente el área del cordón (Department of Education & Training, 2008). A medida que se reduce esta velocidad, el cordón de soldadura se vuelve más convexo y tiende a aumentar la altura y alto del refuerzo, debido a la mayor deposición de material. La entrada de calor aumenta debido a que el arco permanece durante un período de tiempo mayor encima de cualquier zona del metal base. Lo contrario se logra cuando aumenta la velocidad de soldadura (figura 1.6).

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12 Figura 1.6. Efecto del aumento de la velocidad de soldadura en la geometría de la costura para proceso GMAW (Department of Education & Training, 2008)

El aumento de la velocidad de desplazamiento provoca una fuerte inclinación de la columna del arco hacia el lado contrario a la dirección del desplazamiento, como consecuencia de lo que aumenta la componente horizontal de la presión de arco sobre el metal fundido del baño de soldadura, lo que arrastra más el metal líquido debajo del arco, disminuyendo su espesor y aumentando la profundidad de penetración en un intervalo de velocidades de desplazamientos, a pesar de la disminución de la energía lineal (Dymov, 1987; Gonzales, et al. 2016). Esto provoca la disminución del área de la sección transversal de la costura, la disminución de su ancho, un no significativo aumento de la altura de refuerzo del cordón, el aumento de la porción del metal base que se introduce en el metal de la costura (dilución) y la disminución de su coeficiente de forma. El aumento de la velocidad por encima de estos valores provoca que prevalezca la disminución de la energía lineal y que disminuyan, por tanto, la profundidad de penetración, el ancho y el área de la sección transversal de la costura. Cuando la velocidad se hace excesiva disminuye la energía lineal de soldadura y el ancho de la zona calentada tan considerablemente que en los bordes de la costura se forman surcos o socavaduras.

1.2.4. Influencia de la inclinación de la pistola

Al igual que en otros procesos de soldadura la orientación del electrodo respecto a la unión afecta la apariencia del cordón, el ancho y su penetración. Esta orientación posee mayor influencia en estos parámetros que el voltaje de arco o la velocidad de soldadura. La orientación del electrodo es determinada mediante dos vías:

• Relación entre el eje del electrodo y la dirección de movimiento (ángulo longitudinal).

• El ángulo entre el eje del electrodo y la superficie de la pieza (ángulo de la pieza o transversal).

Cuando el electrodo se dirige en la dirección opuesta al avance de la soldadura se conoce como ‘’detrás de la mano’’. Cuando el electrodo se dirige en la misma dirección del movimiento se le conoce como delante de la mano’’. La orientación del electrodo y sus efectos se puede apreciar en la figura 1.7.

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13 Figura 1.7. Ángulo del electrodo contra soldadura para proceso GMAW (Cary, 1998)

Cuando el electrodo se cambia de la posición perpendicular dirigiéndose hacia adelante, técnica delante de la mano, sin afectar las demás condiciones de soldadura, la penetración decrece y el cordón es más ancho y plano, debido a que la columna de arco se dirige sobre la superficie de metal que está todavía fría (Dymov, 1987). La máxima penetración se obtiene en la posición plana con la técnica detrás de la mano y un ángulo de 25° respecto a la línea perpendicular. Esta técnica también produce un cordón más convexo y estrecho, un arco más estable y menos salpicaduras. El aumento de la penetración es causado porque ocurre un desplazamiento más intensivo del metal del baño de soldadura hacia atrás y el arco incide más directamente sobre el metal base. Para las posiciones fuera de la plana el ángulo de avance del electrodo es normalmente de 5 a 15 º para un adecuado control y protección del metal fundido.

Jurandir (2014) coincide con lo anteriormente planteado sobre el efecto de la técnica de soldadura por detrás de la mano en el aumento de la altura de penetración y disminución del ancho del cordón; el mismo además establece que si se disminuye el ángulo de la pistola de soldadura durante esta técnica disminuye la altura de penetración y aumenta el ancho. En el caso de la técnica delante de la mano, esta produce un cordón de soldadura más plano y ancho, con menor altura de penetración.

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1.2.5. Influencia de la polaridad de la corriente

En el caso de la soldadura en atmósfera de dióxido de carbono con electrodo fusible se realiza con corriente continua polaridad invertida (Dymov, 1987; Weman & Lindén, 2006)). Esto se debe a que con polaridad normal el proceso se caracteriza por mucha salpicadura, incluso para valores considerablemente menores de corriente. A pesar de que el coeficiente de fusión del alambre, en la polaridad invertida, es de 1,5 – 1,8 veces menor que en la normal, en muchos casos no se justifica su empleo producto a que en la polaridad normal el ancho de la costura es significativamente menor (la altura de refuerzo es mayor) que en la soldadura con polaridad invertida. Además, la soldadura con polaridad normal se caracteriza por el aumento de la oxidación de los elementos y por la tendencia de la costura a la formación de poros. No obstante, en algunos casos de soldadura de costuras en ángulo y en uniones a tope de múltiples pasadas se emplea la polaridad normal (figura 1.8).

Figura 1.8. Efecto de la polaridad del electrodo en la penetración (Weman & Lindén, 2006)

1.2.6. Influencia de la longitud libre del electrodo

La longitud libre del electrodo es el extremo libre del alambre, es decir la distancia desde el tubo de contacto hasta el extremo del alambre como muestra la figura 1.9 (Pérez, 2016). Cuando aumenta la longitud de extensión aparece una falta de protección del gas, la penetración es menor y aparecen más proyecciones, pudiendo interferir éstas en la salida del gas de protección. Como consecuencia pueden aparecer defectos en el cordón. Si esta longitud es demasiado corta, la penetración es mayor, hay menos proyecciones y puede ocurrir que impida la visibilidad del baño de fusión.

(27)

15 Figura 1.9. Efecto de la longitud libre del electrodo sobre la geometría de la costura (Pérez, 2016) Su variación provoca el cambio en las condiciones de desprendimiento del calor (Dymov, 1987). El aumento de la longitud libre favorece el precalentamiento del electrodo por el paso de la corriente, aumentando la velocidad de fusión y el coeficiente de depósito. Producto de esto la tensión resultante aumenta, mientras disminuye la corriente de soldadura y la profundidad de penetración. Sobre todo, la longitud libre influye sensiblemente durante la soldadura semiautomática con diámetro de 1,0 – 2,5 mm. En este caso las oscilaciones para una longitud libre en los límites de 8 – 10 mm, pueden conducir a un empeoramiento brusco del acabado de la costura. Jurandir (2014) establece que, cuando se usan longitudes libres de electrodos largas para aumentar las tasas de depósito, la altura de refuerzo aumentará en mayor medida que el ancho del cordón.

1.2.7. Influencia de la composición de los gases de protección

Con el dióxido de carbono puro se alcanza la mayor penetración. Mientras que, la adición del dióxido de carbono al argón produce el mismo efecto que el helio, un perfil del cordón de soldadura más adecuado, penetración y tamaño de forma parabólica (Burneo & Jaramillo, 2006). Las soldaduras hechas con helio presentan en el cordón refuerzos más anchos que los hechos con argón, mientras que, este último, generalmente tiene la característica de un cordón con más penetración al centro que en las orillas. En la figura 1.10 se muestra el efecto del tipo de gas protector empleado en la forma del cordón de soldadura.

(28)

16 Figura 1.10. Contorno y penetración de diferentes gases protectores (ASM, 1993)

La ASM (1993) establece que la adición de pequeña cantidad de oxígeno al argón estabiliza en gran medida el arco de soldadura. El baño de soldadura es más fluido y se mantiene fundido por más tiempo, lo que permite que el metal fluya hacia los bordes de la soldadura (figura 12a). Por otro lado, la adición de dióxido de carbonoal argón produce resultados similares a la adición de oxígeno, pero también aumenta la penetración a medida que aumenta el contenido de dióxido de carbono (figura 12b). A medida que aumenta el porcentaje de helio, aumenta la relación entre la anchura y la profundidad de la soldadura, es decir aumenta el coeficiente de forma (figura 12c). Según Vladimir & Scotti (2006), el uso de las mezclas de los gases de protección con mayor porciento de He y CO2 puede aumentar la penetración y dejar el cordón menos convexo.

Lozano, et al. (2000) hacen un estudio del comportamiento de la geometría de la costura en aceros inoxidables austeníticos a partir de la de variación del de gas protector en el proceso GMAW, donde para cada gas se evalúa la operatividad del proceso y se determinan ancho de cordón, altura de refuerzo, penetración, ángulo de mojado y de fusión, área de la altura de refuerzo, área de penetración y dilución; realizándose un análisis comparativo de los mismos. Para la realización de los cordones sobre chapa se utilizó una fuente de corriente continua de tensión constante, se fijó una velocidad de soldadura constante y se seleccionaron parámetros de soldadura en función de obtener transferencia spray. Tales parámetros fueron registrados y monitoreados mediante el uso de un control de corriente y tensión, placa adquisidora de datos y software vía PC. Como resultado se obtuvieron esquemas que muestran el comportamiento de la geometría de la costura en función de la variación del gas protector. El anexo 4 se muestran imágenes de la sección transversal de costuras obtenidas con los diferentes gases de protección.

1.2.8. Influencia de la distancia pieza – boquilla de contacto

González et, al. (2010) realizaron un estudio para identificar la influencia de la pieza – boquilla de contacto (DPBC) ó distancia tobera-pieza (DTP), según la nombran estos autores, y de la velocidad de soldadura (Vs), sobre las características geométricas del cordón de soldadura y el grado de dilución. Se implementó un banco de ensayos automatizado del proceso GMAW. Los cordones se realizaron en la posición plana, sobre chapas de acero SAE 1016 de 150 x 200 x 12 mm. Se varió

(29)

17 la velocidad de soldadura en 5 niveles, la distancia tobera pieza en 8, manteniéndose constante los otros parámetros del proceso. Los resultados indicaron que la distancia tobera – pieza (DTP) presentó un efecto significativo sobre la geometría de la costura. Al aumentar la DTP aumenta el stickout, haciendo que el extremo de alambre libre actué como una resistencia eléctrica que incrementa su valor a mayor DTP, provocando una disminución en la corriente media, debido al efecto Joule. Estos autores plantean que la variación de la DTP no tiene una gran influencia en el ancho del cordón, en el reforzamiento ni en la penetración, pero sí afecta el porcentaje de dilución y el ángulo de mojado.

(30)

18

Capítulo II. La transferencia metálica en el proceso GMAW

2.1. Modos de transferencia metálica en el proceso GMAW

Según Scotti & Ponomarev (2008), la gota, desde el inicio de su formación en la punta del alambre-electrodo, queda sometida a la acción de una serie de fuerzas que pueden actuar favorablemente o no a su desprendimiento. La gota se transfiere cuando la suma de las fuerzas de desplazamiento supera la suma de las fuerzas de retención (modelo conocido como Equilibrio de Fuerzas estáticas). En el caso, las principales fuerzas que actúan sobre la gota son: fuerza gravitatoria (Fg); fuerza electromagnética (Fem); fuerza debido a la tensión superficial del metal fundido (Fγ); fuerza de arrastre de los gases (Fa); y la fuerza de vaporización (Fv). Estas fuerzas se muestran esquemáticamente en la figura 2.1.

Figura 2.1. Fuerzas gobernantes de transferencia metálica en el proceso de soldadura GMAW, donde Fy representa la fuerza debido a la tensión superficial, Fg la fuerza gravitatoria, Fem es el efecto electromagnético, Fa la fuerza de arrastre de los gases y Fv la fuerza de vaporización (Scotti & Ponomarev, 2008)

Establecen Casanova, et al. (2015), que estas fuerzas que actúan en los distintos modos de transferencia durante la transferencia metálica, algunas retrasan el desprendimiento, como la tensión superficial, la fuerza debido a la vaporización, la fuerza de gravedad (dependiendo de la posición de soldadura) y la fuerza electromagnética (dependiendo de la polaridad del consumible). Otras favorecen el desprendimiento, como la fuerza debido al arrastre de los gases, la componente pinch de la fuerza electromagnética, la componente de la fuerza electromagnética asociada a la polaridad y la fuerza de gravedad.

(31)

19 La fuerza de gravedad (Fg), es originada por la acción de la gravedad, que, por depender de la masa, es gobernada por las dimensiones y densidad del material de la gota (figura 2.2) (Scotti & Ponomarev, 2008). Considerando solamente la componente de esta fuerza paralela al eje del alambre, esta se puede calcular por la expresión 2.1:

𝐹𝑔= ᴨ 6𝐷𝐺

3𝜌𝑔

𝑧 (2.1)

Donde DG es el diámetro de la gota, ρ es la densidad del líquido y gZ es la componente de g paralela al eje del alambre.

Figura 2.2. Ilustración de la fuerza gravitacional en las situaciones de desprendimiento de las gotas, disposición espacial del electrodo (Scotti y Ponomarev, 2008)

Fuerza de tensión superficial (Fy): Mientras la gota del metal fundido permanece unida al

electrodo, la tensión superficial actúa en el sentido de mantenerla en esta condición (figura 2.3). En este caso, según Modenesi (2004), la fuerza asociada a la tensión superficial está dada por la relación empírica 2.2:

𝐹𝑌 𝑚𝐷𝑔

𝑓(𝑎𝑟) (2.2)

Donde mD es la masa de la gota siendo deprendida, r es el radio del electrodo y a es la constante de capilaridad.

(32)

20 Figura 2.3. Cambio en la dirección del funcionamiento de la fuerza debido a la tensión superficial para cuando, debido a una reducción de la longitud del arco, la gota se inclina sobre el baño de soldadura antes de alcanzar el diámetro crítico (Scotti & Ponomarev, 2008)

Según Modenesi (2004), en la transferencia por cortocircuito, la tensión superficial ayuda a iniciar la transferencia de metal hacia el baño de fusión, cuando es tocado por el electrodo.

Fuerza electromagnética (Fem): Como muestra la figura 2.4, un conductor eléctrico genera a su alrededor un campo magnético (cuya intensidad de flujo es representada por el vector B) que a su vez induce fuerzas radiales (Fem) en el sentido del centro del conducto (Scotti & Ponomarev, 2008).Cuanto mayor es la corriente, mayores son estas fuerzas. Esta fuerza se representa por la expresión 2.3.

𝐹𝑒𝑚= 𝜇 (𝐽 ∗ 𝐵) (2.3)

Donde μ es la constante de permeabilidad magnética del material del conductor y J la densidad de la corriente.

(33)

21 Figura 2.4. Fenómeno de la generación de las fuerzas electromagnéticas (radiales) sobre la gota del metal líquido de forma cilíndrica (Scotti & Ponomarev, 2008)

La fuerza de arrastre (Fa) es originada por el flujo de los gases en contacto con la gota (Scotti & Ponomarev, 2008). Por cuestiones aerodinámicas, depresiones son generadas bajo la gota (vértice), haciendo que esta sea absorbida y arrastrada por el flujo. De esta forma, la Fa contribuye siempre al desprendimiento de la gota (figura 2.5) y está dada por la expresión 2.4:

𝐹𝑎= ᴨ 8𝑣

2𝜌𝐷

𝐺2𝐶𝐴 (2.4)

(34)

22 Figura 2.5. Ilustración del fenómeno de generación de la fuerza de arrastre por el flujo de gas a lo largo de la gota: antes y después del desprendimiento (Scotti & Ponomarev, 2008)

La fuerza debido a la vaporización (Fv): es originada por la vaporización de los componentes del metal del alambre electrodo en la región del acoplamiento del arco con la gota (Scotti & Ponomarev, 2008). En esta conexión se origina mucho calor, propiciando la generación de flujo de vapores metálicos. Esta fuerza tiende a retrasar la transferencia metálica (figura 2.6) y es expresada por la ecuación 2.5.

𝐹𝑣 =

𝑄02𝐼𝑠𝑜𝑙𝑑𝑎𝑑𝑢𝑟𝑎2

8ᴨ𝜌𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟𝑅𝑎2 (2.5)

Donde Q0 representa la tasa de vaporización del elemento químico de interés, I es la corriente de soldadura, ρvapor es la densidad del vapor y Ra el área de contacto entre la gota y el arco eléctrico. Esta área varia conforme el modo de transferencia metálica.

(35)

23 Figura 2.6. Esquematización del efecto de la fuerza de reacción por vaporización sobre la

transferencia metálica (Scotti & Ponomarev, 2008)

Los diferentes tipos de transferencia de metal fueron por primera vez clasificados por el Instituto Internacional de Soldadura (IIW, por su siglas en inglés) y publicados en 1984 (Arias, 2013). El interés general para mejorar los costos de producción ha llevado a buscar formas de mejorar los niveles de productividad industrial y esto a su vez busca el desarrollo de nuevas fuentes de potencia las cuales han generado consigo la necesidad de incrementar la comprensión y el conocimiento de los modos de transferencia de metal a fin de caracterizar adecuadamente los procesos. Esta relación se basa en el hecho que los modos de transferencia de metal tienen una influencia directa en la estabilidad del arco, la generación de humos, las salpicaduras, penetración y el comportamiento del baño de soldadura.

La forma en la cual el metal fundido es formado en la punta del electrodo y transferido al baño de soldadura está principalmente influenciado por la corriente de soldadura y por el voltaje, pero hay muchas otras variables que afectan este proceso como la velocidad de alimentación, el gas de protección, el diámetro del electrodo y la velocidad de soldadura (Arias, 2013).

La tabla 2.1 muestra un sistema de clasificación propuesto por el Instituto Internacional de Soldadura (IIW) basado en aspectos de fenómenos lógicos de transferencia del metal (Modenesi, 2004). La figura 2.7 muestra otra clasificación del IIW.

(36)

24 Tabla 2.1. Tipos de transferencias de gotas líquidas metálicas en función de los procesos de

soldadura y según la clasificación del IIW (Modenesi, 2004)

Designación del tipo de transferencia

Procesos de soldadura (ejemplos)

1- Transferencia de vuelo libre

1.1 Transferencia globular

1.1.1 Transferencia por gotas GMAW de baja corriente 1.1.2 Transferencia por repulsión GMAW con protección de CO

2

1.2 Transferencia Spray

1.2.1 Spray proyectado GMAW - corriente intermedia

1.2.2 Spray axial GMAW - corriente media

1.2.3 Spray rotacional GMAW - corriente elevada

1.3 Transferencia por Explosión SMAW (electrodos revestidos)

2- Transferencia por contacto

2.1 Transferencia por cortocircuito GMAW) – arco ‘’corto’’

2.2 Transferencia continua GTAW con alimentación continua

3- Transferencia guiada por escorias

3.1 Transferencia guiada por la pared de

flujo líquido SAW

3.2 Otros modos SMAW, FCAW, ESW, etc.

Según lo descrito por Lordachescu & Quintino (2008), los modos de transferencia de metal están influenciados por el tipo de material de aporte, los rangos de intensidad de corriente y voltaje, la polaridad de los electrodos y el gas de protección. Por su parte, Kim & Eagar (1993) afirman que los parámetros más importantes en los modos de transferencia son: la corriente, el voltaje del arco, la distancia de contacto a la pieza de trabajo, la composición del gas de protección, la tasa de flujo del gas de protección, el ángulo de inclinación de la antorcha, los elementos aleantes, la velocidad de alimentación del alambre, la extensión y el diámetro del electrodo.

Recientemente, el Instituto Internacional de Soldadura clasificó los modos de transferencia como naturales y controlados: los naturales son aquellos que utilizan fuentes convencionales sin ejercer control sobre los pulsos del voltaje y/o la corriente, mientras que los controlados son aquellos para los cuales la transferencia ocurre en condiciones forzadas (López & León, 2014). Investigadores

(37)

25 como Lordachescu & Quintino (2008) han identificado tres modos fundamentales naturales de transferencia: cortocircuito, globular y spray.

Figura 2.7. Modos de transferencia de acuerdo con la clasificación del IIW (Modenesi, 2004) Bajo la denominación de transferencia controlada se agrupan otros modos de transferencia que pueden ser obtenidos por la introducción de perturbaciones controladas en la corriente de soldadura y/o en la velocidad de alimentación del alambre (Instituto de Ensayo de Materiales, 2019). El objetivo es obtener una transferencia controlada del metal de aporte, con las características deseables del modo “spray”, pero a niveles mucho más bajos de corriente media, lo cual permite su aplicación en chapas finas o fuera de posición. La transferencia controlada más utilizada es la pulsada, en la cual la corriente varía en dos niveles, uno inferior a la corriente de transición y otro superior a ella, de modo que durante el lapso del primero la gota a transferir se forma y crece, y durante el tiempo del nivel superior, la misma se transfiere.

Para Scotti & Ponomarev (2008) el modo de transferencia define un comportamiento característico de la gota en transferencia, como grandes gotas atravesando de la punta del electrodo al baño, en contraste con pequeñas gotas haciendo el mismo trayecto, pero una consecutivamente de la otra. Pero se puede tener un número de modos de transferencia con características similares, situación por la que se congregan los modos bajo la denominación de grupo de modos. También existen las clases de modos, que son capas jerárquicas de agrupación de los modos de transferencia. Por lo tanto, en la soldadura GMAW, se distinguen tres clases de modos de transferencia metálica, a saber, naturales, controlados e intercambiables, como se muestra en la figura 2.8.

(38)

26 Figura 2.8. Clasificación de los modos de transferencia metálica conforme la orden jerárquica

(clases, grupos y modos) (Scotti &Ponomarev, 2008)

La transferencia metálica de la clase natural ocurre básicamente por dos mecanismos, los cuales caracterizan a sus dos grupos (Scotti & Ponomarev, 2008). En el primero, hace el contacto de la gota con el baño antes del desprendimiento y, por eso, ese grupo de transferencia se denomina transferencia por contacto, que puede manifestarse por modos de transferencia por puente, por cortocircuito o por cortocircuito forzado. En el segundo mecanismo, la gota se desprende antes del contacto con el baño, caracterizando al grupo de transferencia por vuelo libre. Este último se subdivide aún en seis diferentes modos, según las particularidades de la formación y desprendimiento de las gotas. La tabla 2.2 ilustra los principales modos naturales de transferencia del proceso GMAW.

(39)

27 Tabla 2.2. Clases y respectivos modos naturales de transferencia metálica que acontecen el

proceso GMAW (Scotti y Ponomarev, 2008)

Grupos de transferencia Modo de transferencia Imagen Fuerza (efecto) gobernante principal Por contacto Por cortocircuito Tensión superficial y efecto pinch Globular Tensión superficial Por cortocircuito forzado Efecto pinch pronunciado (*) Por vuelo libre Globular Gravitacional Globular repulsiva Fuerza gravitacional y fuerzas de repulsión Spray (o spray proyectada) Fuerza electromagnética Spray con alongamiento Spray rotacional Explosiva Fuerza electromagnética y reacciones químicas

(40)

28

2.1.1. 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)

(41)

29

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

(42)

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

(43)

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

(44)

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

(45)

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.

(46)

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

(47)

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

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