Introducción al soldeo por arco protegido con gas de Cesol

ASOCIACIÓN ESPAÑOLA DE SOLDADURA Y TECNOLOGÍAS DE UNIÓN CESOL

1936

CESOL TEMA 1.6 INTRODUCCIÓN AL SOLDEO POR ARCO PROTEGIDO CON GAS

IWE-MÓDULO 1

En la elaboración de este texto han colaborado: D. Manuel Aracil Cadenas SOLICITUD DE COLABORACIÓN: MEJORA DE LA CALIDAD CESOL agradecerá la comunicación de las posibles erratas que puedan aparecer en el texto. Dicha información podrá remitirse a: formacion@cesol.es Este texto es propiedad íntegra de la Asociación Española de Soldadura y Tecnologías de Unión, en adelante CESOL. Queda terminantemente prohibida cualquier reproducción del mismo sin autorización expresa por parte de CESOL.

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ÍNDICE

1. INTRODUCCIÓN 1
2. FACTORES QUE AFECTAN LA ELECCIÓN DEL GAS DE PROTECCIÓN ADECUADO. 2
3. PROPIEDADES DE LOS GASES Y MEZCLAS 3
4. ENERGÍA DE IONIZACIÓN. 3
5. CONDUCTIVIDAD TÉRMICA 5
6. DISOCIACIÓN 6
7. REACTIVIDAD 6
8. TENSIÓN SUPERFICIAL 6
9. PUREZA 7
10. DENSIDAD 8
11. CONSISTENCIA DE LAS MEZCLAS 8
12. COMPONENTES DE LOS GASES Y MEZCLAS DE PROTECCIÓN 8 9
13. Helio 9
14. Anhídrido Carbónico 10
15. Nitrógeno 10
16. Oxígeno 11
17. Hidrógeno. 11
18. CLASIFICACIÓN DE LOS GASES DE PROTECCIÓN PARA EL SOLDEO Y CORTE POR ARCO ELÉCTRICO UNE-EN ISO 14175 12
19. GASES DE APOYO 16
20. Gas de protección en la raíz 16
21. Dispositivos para aplicar el gas de la protección de la raíz 18
22. Gas de arrastre. 20
23. EL ARCO Y LA TRANSFERENCIA DEL METAL .21
24. LA INFLUENCIA DE LOS GASES DE PROTECCIÓN EN EL ARCO 23
25. PROCESOS DE SOLDADURA Y SUS GASES DE PROTECCIÓN 25
26. SOLDADURA TIG (TUNGSTEN ARC WELDING) Y LOS GASES DE PROTECCIÓN EMPLEADOS. 25
27. SOLDADURA MIG/MAG (METAL INERT GAS)/(METAL ACTIVE GAS) Y LOS GASES DE PROTECCIÓN EMPLEADOS 33
28. SOLDADURA CON ALAMBRE TUBULAR (FCAW) Y LOS GASES DE PROTECCIÓN EMPLEADOS 43
29. CONSUMIBLES 47
30. FORMAS DE SUMINISTRO DE GASES DE PROTECCIÓN .49
31. SELECCIÓN DE FORMAS DE SUMINISTRO DE GASES DE PROTECCIÓN. 49
32. NORMATIVA SOBRE ACOPLAMIENTOS O VÁLVULAS Y COLORES PARA IDENTIFICACIÓN DE BOTELLAS. 53
33. RECOMENDACIONES DE SEGURIDAD EN LA UTILIZACIÓN DE GASES DE PROTECCIÓN .. 56

Curso de formación de Ingenieros Internacionales de Soldadura-IWE Módulo I. Tema 1.6 Introducción al Soldeo por Arco Protegido con Gas Revisión 4-Enero 2016 2.9.1. Argón

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1. INTRODUCCIÓN

El concepto de gas de protección se aplica normalmente a los gases o mezclas empleados en los procesos TIG (Gas Tungsten Arc Welding), MIG/MAG (Gas Metal Arc Welding), FCAW (Flux Cored Arc Welding). La función principal del gas de protección es desplazar el aire de la zona de soldadura para proteger al metal fundido, el baño de fusión y el electrodo, para evitar su contaminación. Esta contaminación es originada principalmente por el oxígeno, nitrógeno y agua presentes en la atmósfera que pueden reaccionar con el metal fundido, causando defectos que debiliten la soldadura. Cuando la protección del gas no es la adecuada: El oxígeno puede dar lugar a diferentes problemas dependiendo de su contenido:

• Combinar con el carbono en el baño de fusión para formar monóxido de carbono (CO), que puede producir porosidad, al escapar (longitudinalmente por el centro) del cordón de soldadura, cuando el metal soldado se enfría.
• Formar óxidos con otros elementos que puede dar lugar a un exceso de escorias, inclusiones en la soldadura, que tengan como consecuencia la pérdida de propiedades mecánicas.

El nitrógeno, soluble en el baño a elevadas temperaturas, puede originar porosidad cuando escapa durante el enfriamiento del cordón de soldadura. El agua al disociarse liberara hidrógeno que puede dar lugar a porosidad y fisuración en frío. Otras funciones del gas de protección son Influir en:

• El tipo de transferencia de metal.
• La estabilidad del arco.
• La cantidad y la calidad de los humos.
• Las propiedades mecánicas.
• La penetración y en el tipo y tamaño de cordón.
• La velocidad de soldadura
• Los costos de soldadura.
• La cantidad de energía que pasa a través del arco eléctrico.

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• Formar parte del plasma que se genera al pasar la intensidad de soldadura a través del espacio entre electrodo y el metal a soldar.

En algunas aplicaciones, es necesario utilizar además del gas de protección propiamente dicho, otros gases como:

• Gas de respaldo. También llamado gas de backing, se utiliza para proteger la parte posterior de la soldadura. En la soldadura de tubería para proteger el cordón de raíz.
• Gas de arrastre. Para aplicaciones automáticas, donde la velocidad de soldadura es elevada y el cordón de soldadura deja la zona de influencia del gas de protección cuando está todavía a una temperatura suficientemente alta como para ser afectado por el oxígeno y nitrógeno del aire. La distancia a la que se debe situar la boquilla y su forma depende de la aplicación.

1.1. Factores que afectan la elección del gas de protección adecuado.

En ocasiones, hay un factor que tiene una mayor importancia y por si sólo determina el gas adecuado, en otras, es necesario hacer una evaluación de varios factores. Los fundamentales son:

• Procedimiento de soldadura.
• Material a soldar.
• Espesor del material.
• Posición de soldadura.
• Material de aportación.
• Propiedades mecánicas requeridas.
• Penetración.
• Velocidad de soldadura.
• Calidad exigida.
• Humos.
• Aspecto final.
• Costos.

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2. PROPIEDADES DE LOS GASES Y MEZCLAS

2.1. Energía de ionización

Es la energía, expresada en electrones voltio (eV), necesarios para liberar un electrón de un átomo en estado gaseoso, convirtiendolo en un ión, o en un átomo cargado eléctricamente. Por ejemplo: Ar -> Ar+ + e" Ecuación 1 Manteniendo el resto de las variables constantes, el potencial de ionización disminuye cuando el peso molecular del gas se incrementa. Pueden tomarse como ejemplos las estructuras atómicas del argón y helio. El gas argón con número atómico 18 y con 8 electrones en su última capa, es mucho más pesado que el helio, que solamente tiene 2 electrones (figura 1). La energía necesitada para liberar un electrón de un átomo de argón es 15,759 eV mientras que en el helio es de 24,586 eV.

Helio Argón O I 1 + + - + - + + I I + + + Electrones (-) Figura 1. Estructura atómica de los gases argón y helio La energía necesaria para la ionización es tomada del arco. Una vez ionizado el gas, se tendrán los electrones libres necesarios para soportar el flujo de corriente entre el espacio que separa el electrodo y el metal base. Aunque pueden existir otros factores, para sostener el arco será necesario mantener los niveles de energía correspondientes al gas empleado. Por lo tanto para una misma longitud del arco eléctrico, el voltaje obtenido con helio es apreciablemente superior al obtenido con argón (figura 2).

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Soldadura TIG (GTAW) del Aluminio

30 25 Helio 20 Arco (v) 15 10 Argón Longitud de Arco 5 2 mm 0 4 mm 0 50 100 150 200 250 300 350 400 Intensidad (Amperlos) Figura 2. Relación entre voltaje e intensidad con Ar y He. (Soldadura con corriente alterna) Como el calor generado por el arco eléctrico está fuertemente ligado al producto del voltaje por la intensidad, el uso del helio como gas de protección origina un calor superior al obtenido empleando argón. Esta es la razón por la que se dice que el helio es un gas "más caliente" que el argón. (figura 3) Se puede decir lo anterior de otro modo, un arco eléctrico protegido por gas tendrá un voltaje y una energía mayor, cuanto mayor sea la energía de ionización del gas.

Argón Ar / 25% He Boquilla 4 de Gas Electrodo de Tungsteno Longitud de Arco 4 de 3,2 mm Intensidad (CCPD) = 300 Voltaje = 11 Watios = 3300 Intensidad (CCPD) = 300 Voltaje = 15 Watios = 4500 Figura 3. Comparación del calor generado (input térmico) utilizando gas argón y mezclas de argón- helio. El inicio del arco y su estabilidad son dependientes de la energía de ionización del gas de protección empleado. Los gases como el argón, con una energía de ionización relativamente baja, liberan electrones más fácilmente, ayudando a iniciar el arco y mantenerlo de modo

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estable. Esto último es importante durante el reencendido que hay que efectuar con cada ciclo cuando se suelda con corriente alterna. En la tabla 1 pueden observarse los valores de energía de ionización para los gases puros más empleados como componentes de los gases de protección.

2.2. Conductividad térmica

La conductividad térmica de un gas mide la facilidad con la que conduce el calor. Influye en la pérdida radial de calor desde el centro a la periferia de la columna del arco eléctrico. El argón que tiene una conductividad térmica baja, origina un arco eléctrico con dos zonas: una interior, en el centro, más caliente y otra exterior considerablemente más fría. Entonces la penetración tendrá una forma más estrecha en la raíz y una más ancha en la parte superior. Un gas con una conductividad térmica elevada, conduce más el calor de la parte interior, en el centro del arco, hacia la parte exterior, dando como resultado una penetración más ancha y uniforme un arco más caliente. Esto sucede cuando se emplea helio, o mezclas de argón-helio, argón-hidrógeno, argón-helio-hidrógeno, argón-dióxido de carbono. (figura 4 y figura 5)

Electrodo Arco Arco Estrecho Ancho Envoltura Envoltura del Arco del Arco Estrecha Ancha Tipo de Penetración Metal Base Metal Base Argón Helio Figura 4. Comparación de tipos de arco y penetración con Argón y Helio. Metal: AIMg 4,5 Mn Espesor: 20 mm Intensidad: 245 A Argón (%) 100 70 50 30 0 Helio (%) 0 30 50 70 100 Figura 5. Efecto de diferentes contenidos de helio sobre la penetración y forma de cordón.

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