Soldadura por arco con las soluciones de gases de Air Liquide

¿Qué es un arco eléctrico?

El arco eléctrico se establece cuando se consigue la energía suficientemente alta como para ionizar la atmósfera de gas y generar un plasma gaseoso entre los 2 polos de un generador. En el momento en que dicho plasma se genera se establece una corriente eléctrica entre el polo positivo y el negativo. El arco eléctrico es un fenómeno físico sumamente complejo, dónde se mezclan:

• fenómenos de ionización y recombinación de gases.
• transmisión de calor.
• los fenómenos electromagnéticos.
• influencia de las características de conductividad térmica y eléctrica en función de la temperatura de los gases utilizados.

La temperatura que se alcanza llega hasta los 3500 °C, y podemos distinguir las siguientes zonas:

• Núcleo del arco: El arco de plasma se establece entre los dos electrodos. Se trata de una zona muy caliente de partículas ionizadas. El 90 % de la corriente pasa a través de esa zona.
• Envolvente ionizada: Zona de transición entre el núcleo del arco y la atmósfera ambiente donde las partículas están parcialmente ionizadas. La temperatura en el interior de esta zona es todavía significativa, aunque inferior a la del interior del núcleo del arco.
• Gases calientes: Debido a la transferencia térmica, el núcleo del arco y la envolvente ionizada están rodeadas por un gas caliente.

¿Cómo funciona el proceso de soldadura por arco eléctrico?

Desde un punto de vista simplificado, podemos considerar esta soldadura como un circuito eléctrico, dónde se aplica una voltaje (V) entre los bornes un generador, y cuando se genera el arco eléctrico se cierra el circuito. La intensidad (I) de soldadura vendrá determinada por la tensión aplicada (V) y el conjunto de resistencias eléctricas de los equipos: cable de soldadura, cable y toma de masa, stick out, arco eléctrico.

La polaridad varía según el proceso de soldadura, ya que la corriente de electrones se establece desde el polo negativo (cátodo) hacia el polo positivo ánodo. La zona anódica es la que alcanza una mayor temperatura:

• Polaridad inversa: El soldador conecta la torcha al polo positivo (ánodo) de la máquina de soldadura. La corriente de electrones se dirige hacia el electrodo que se funde durante la soldadura.
  • Soldadura por arco eléctrico con electrodo consumible: En este caso el electrodo es el mismo alambre o hilo de soldadura que se tiene que fundir a la vez que el metal base:
    • Soldadura GMAW (MIG, MAG): El arco eléctrico se genera bajo una atmósfera de protección de gas que puede ser inerte (MIG) o activa (MAG).
    • Soldadura por electrodo (SMAW): El arco eléctrico se genera bajo la atmósfera de protección generada a partir del fundente.
    • Soldadura por arco sumergido (SAW): El arco eléctrico se genera bajo la protección del flux de soldadura.
• Polaridad directa: El soldador conecta la torcha al polo negativo (cátodo). La corriente de electrones se dirige hacia el metal base.
  • Soldadura por arco eléctrico con electrodo tungsteno (no consumible): En este caso el electrodo es de tungsteno (material de alto punto de fusión) no fusible.
    • Soldadura TIG: El arco eléctrico se genera bajo una atmósfera de protección de gas inerte. Si para la soldadura TIG del aluminio no se dispone de una máquina de corriente alterna, se invierte la polaridad.
    • Soldadura por Plasma: El arco eléctrico se genera bajo una atmósfera de protección de gas inerte.

Gases para la soldadura por arco

Los diferentes gases que se pueden utilizar en las técnicas de soldadura por arco están definidos por la norma ISO 14175 (Consumibles para la soldadura. Gases y mezclas de gases para el soldeo por fusión y procesos afines). Los gases de protección son los siguientes:

• Argón (Ar)
• Dióxido de carbono (CO₂)
• Oxígeno (O₂)
• Helio (He)
• Hidrógeno (H₂)
• Nitrógeno (N₂)

Las principales funciones del gas de protección son:

• Aislar el metal en fusión de una posible contaminación atmosférica.
• Estabilizar el arco eléctrico.
• Facilitar el cebado del arco eléctrico.

Adicionalmente, el gas de soldadura ejerce una influencia directa sobre:

• El nivel de proyecciones (salpicaduras) y humos.
• La geometría, forma y profundidad de penetración del cordón.
• La mojabilidad (extensión del baño).
• El aspecto visual de la superficie de la soldadura.
• La velocidad de avance de la soldadura.
• La metalurgia y las propiedades del baño de fusión.
• El entorno de trabajo del soldador.
• El coste final de la pieza soldada.

Criterios para elegir el gas de protección más adecuado

Para seleccionar el gas de protección ideal, el operario debe comprender la naturaleza química de los gases, el proceso de soldadura elegido y el tipo de material que se va a unir.

1 - Naturaleza química de los gases de soldadura

Gases inertes (no reaccionan con el baño de fusión):

• Argón: gas inerte utilizado puro o como base en mezclas. Se caracteriza por ser fácil de ionizar, facilitar la apertura del arco y servir de base para la gran mayoría de las mezclas gaseosas.
• Helio: gas inerte utilizado mayoritariamente en mezcla con el argón, siendo muy común en aplicaciones de soldadura automática. Aumenta la energía del arco (garantizando una mayor penetración y/o velocidad de soldadura que el argón puro) y proporciona una mejor mojabilidad.

Gases oxidantes (reaccionan de forma controlada con el metal):

• Dióxido de carbono (CO₂): gas activo utilizado en mezclas con argón o, en ciertos casos, puro. Hace que el baño de fusión sea más viscoso (ideal para la soldadura en todas las posiciones) y aumenta la anchura de la penetración, pero eleva el nivel de proyecciones/humos y la formación de silicatos en la superficie del cordón.
• Oxígeno: gas activo utilizado exclusivamente en bajos porcentajes con el argón. Hace que el baño de fusión sea más fluido y permite una mejor mojabilidad y transferencia de gotas desde el hilo en comparación con las mezclas con CO₂. Es más adecuado para la soldadura en posición plana.

Gases reductores y reactivos:

• Hidrógeno: gas reductor (combate la oxidación) utilizado en mezclas con argón y CO₂, mayoritariamente en sistemas automáticos. Aumenta el aporte térmico (mayor penetración/velocidade) y mejora la mojabilidad. Es estrictamente compatible con aceros inoxidables austeníticos.
• Nitrógeno: a la temperatura del arco eléctrico, se disocia y reacciona con el metal. Se utiliza en la soldadura de aceros Duplex y Super Duplex para compensar las posibles pérdidas de N₂ del propio material base durante el ciclo térmico.

2 - Correlación entre procesos y materiales

La selección de las mezclas varía según el proceso y la metalurgia del metal base:

• TIG / Plasma:
  • Función: en el proceso TIG protege el baño, en el proceso Plasma genera el propio chorro de plasma.
  • Gases inertes para todos los metales: argón, helio o mezclas de argón + helio.
  • Excepción: las mezclas de argón + helio + hidrógeno (hasta el 5 % - 7,5 %) son exclusivas para aceros inoxidables austeníticos.
• MIG (Metal Inert Gas):
  • Materiales: aleaciones de aluminio, cobre y níquel.
  • Gases: argón puro, helio puro o mezclas de argón + helio.
• MAG (Metal Active Gas):
  • Materiales: todos los tipos de aceros (al carbono e inoxidables).
  • Gases: mezclas de argón + CO₂ (con un límite del 2 % de CO₂ o O₂ en el caso de los aceros inoxidables para evitar la pérdida de cromo por carburación), mezclas de argón + CO₂ + oxígeno o argón + oxígeno.
  • Optimización: se puede añadir helio para aumentar el rendimiento en cualquier tipo de acero, o hidrógeno específicamente para los aceros inoxidables austeníticos.