soldadura por arco con electrodo no consumible – gas tungsten arc welding

27 Pages·2002·0.5 MB·Spanish

CUADERNO F.I. Nº 2-2001
SOLDADURA POR ARCO CON ELETRODO DE TUNGSTENO NO CONSUMIBLE
GAS-TUNGSTEN ARC WELDING - GTAW
“SOLDADURA POR
ARCO CON
ELECTRODO NO
CONSUMIBLE –
GAS TUNGSTEN ARC
WELDING”
Elaborado por :
Mónica Zalazar
Laboratorio de
metalografía y soldadura
Depto de Mecánica
aplicada
UNIVERSIDAD
NACIONAL DEL
COMAHUE
Buenos Aires 1400 -(8300)
NEUQUEN
0299-4490300 - Interno 261
[email protected]
LAB. METALOG. Y SOLDADURA - U. N. COMAHUE - MONICA ZALAZAR
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GAS-TUNGSTEN ARC WELDING - GTAW
1. RESUMEN
En este trabajo se presenta una descripción del proceso de soldadura por arco con electrodo
de tungsteno no consumible y protección gaseosa.
Este proceso que se conoce desde el año 1941 fue primeramente desarrollado para la
soldadura del magnesio y el aluminio y se ha vuelto una herramienta indispensable en
muchas industrias en virtud de la alta calidad de las soldaduras producidas y el bajo costo del
equipo utilizado.
En este trabajo se presentan el fundamento del proceso GTAW, el equipo y los consumibles
empleados, los procedimientos y variables del proceso, sus aplicaciones y consideraciones
de seguridad.
2. INTRODUCCION:
En el proceso GTAW se genera un arco eléctrico entre un electrodo de tungsteno
virtualmente no consumible y la pileta fundida de metal base. Este proceso es usado con la
protección de un gas externamente suministrado, y sin la aplicación de presión. La adición de
metal de aporte es opcional y se realiza en forma externa. La Figura 1 muestra
esquemáticamente el proceso de soldadura GTAW.
Este proceso ha recibido los nombres de soldadura con tungsteno y gas inerte (TIG), pero la
terminología empleada por AWS 1 es de GTAW porque en algunas aplicaciones es posible
usar mezclas de gases protectores que no son inertes.
El uso de este proceso en forma automática esta muy difundido, y es ampliamente utilizado

Figura 1: Esquema del proceso GTAW
1 American Welding Society
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en soldaduras de cañerías de pequeños diámetros.
3. VENTAJAS Y LIMITACIONES:
Los beneficios más importantes de este proceso son:
1. Produce soldaduras de buena calidad, generalmente libres de defectos
2. Esta libre de salpicaduras que ocurren con otros procesos de arco.
3. Puede utilizarse con metal de aporte o sin él, según requiera la aplicación específica.
4. Ofrece un control excelente de la penetración en la pasada de raíz.
5. Puede producir soldaduras económicas a altas velocidades.
6. Las fuentes de potencia son de costos relativamente bajos
7. Permite controlar de manera precisa las variables de soldadura.
8. Sirve para soldar casi todos los metales incluso aleaciones disímiles
9. Permite controlar en forma independiente la fuente de calor y la adición de metal de
aporte.
Algunas de las limitaciones del proceso son:
1. Las tasas de deposición son mas bajas que con GMAW.
2. El soldador requiere un poco más de destreza y coordinación que con los otros procesos
de soldadura.
3. Para espesores mayores de 10mm(3/8”) resulta más costoso que los procesos con
electrodo consumible
4. Es difícil proteger la zona de soldadura en lugares donde hay corrientes de aire
Entre los problemas potenciales del proceso están:
1. Puede haber inclusiones de tungsteno si se permite que el electrodo haga contacto
con al pileta líquida.
2. Una inadecuada posición del metal de aporte podrá producir contaminación dl mismo.
3. Requiere buena calidad en el metal base y en el aporte.
4. Puede haber contaminación o porosidad causada por fuga del refrigerante en el caso
de torchas refrigeradas por agua.
5. Puede haber golpe, o desviación del arco, al igual que en los otros procesos por arco
4. FUNDAMENTOS DEL PROCESO
El proceso GTAW se basa en el uso de un electrodo de tungsteno (o una aleación de
tungsteno) no consumible sostenido en una torcha (o soplete). Se alimenta un gas de
protección para proteger el electrodo, la pileta líquida y el metal de soldadura durante la
solidificación de la contaminación atmosférica. El arco eléctrico se produce por el paso de la
corriente a través del gas de protección ionizado, que conduce la electricidad. El arco se
establece entre la punta del electrodo y la superficie de trabajo. El calor generado funde el
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metal base. Una vez establecido el arco y el charco de soldadura, el soplete se mueve a lo
largo de la unión y el arco funde progresivamente las superficies de empalme. Si se usa
alambre de aporte, se alimenta por el borde delantero del charco de soldadura para llenar la
unión.
Todos los sistemas de soldadura GTAW tienen en común cuatro componentes básicos, los
cuales se muestran en la Figura 1 y 2.
1. Soplete o torcha
2. -Electrodo
3. Fuente de poder
4. Sistema de alimentación del gas de protección.
FIGURA 2: Equipamiento necesario
5. EQUIPAMIENTO
5.1 SOPLETE O TORCHAS
Los sopletes de GTAW sostienen el electrodo de tungsteno que transporta la corriente de
soldadura y conducen el gas de protector a la zona de soldadura.
La elección de un soplete se basa en al corriente máxima de soldadura que pueden
transportar sin recalentarse. La mayoría de los sopletes permiten manejar electrodos de
distintos tamaños para un intervalo dado de boquillas. En función de la corriente máxima de
trabajo los sopletes podrán ser refrigerados con agua o con gas, estos últimos eliminan el
calor por medio del gas de protección. Los sopletes refrigerados por gas están limitados a
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una corriente máxima de soldadura de 200 Amperes. En los sopletes enfriados por agua
pueden llegar a utilizarse corrientes entre 300 y 500 Amperes. La figura 3 corresponde a
sopletes refrigerados por agua.
Figura 3: Sopletes refrigerados por agua
Casi todos los sopletes para aplicaciones manuales tienen un ángulo de cabeza (el ángulo
entre la posición del soplete y el mango) de 120º. También hay sopletes con cabeza de
ángulo ajustable, cabeza a 90º, o cabeza en línea recta. Los sopletes manuales contienen
interruptores en el mango que le permiten manejar la corriente y el gas de protección.
Los accesorios que utiliza el soplete son los mandriles y las boquillas.
Los mandriles generalmente son de cobre y el tamaño debe adecuarse al electrodo. Es
importante que cuando se ajusta el electrodo por medio de la tapa del soplete haya un buen
contacto entre el mandril y el electrodo. Esto permite una buena transferencia de la corriente
sin sobrecalentamiento.
Las boquillas son las que dirigen el gas de protección a la zona de soldadura. Para ello en el
soplete hay difusores de modo que el régimen de salida del gas sea con flujo laminar. Estos
difusores se conocen como difusores de gas y se diseñan para insertarse alrededor del
electrodo o mandril , producen un flujo más largo y uniforme de gas de protección y permiten
soldar con la boquilla a 25mm o más de la superficie de trabajo, lo que permite llegar a
sectores de acceso limitado. La figura 4 muestra distintas formas de boquillas.
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Figura 4: Distintas formas de boquillas
Las boquillas se fabrican en distintos materiales resistentes al calor y con formas, diámetros
y longitudes variables.
Se debe aclarar que hay un equilibrio delicado entre el diámetro de la boquilla y el flujo de
gas si el flujo de gas es excesivo, para un diámetro dado, se producirá turbulencia y la
protección dejaran de ser efectiva. Cuando el amperaje es alto se requiere un flujo de gas
elevado y por ende un diámetro de boquilla grande. La elección del tamaño de la boquilla
depende de:
• Tamaño del electrodo
• Tipo de unión a soldar
• Área de soldadura que debe protegerse efectivamente
• Acceso a la unión que se va a soldar
La Tabla 1 da las recomendaciones de tamaños de boquillas.
El empleo de boquillas más pequeñas permite una mejor visión de la zona de soldadura,
pero si esta es muy chica puede haber turbulencias y formación de chorros del gas protector,
e incluso puede fundirse el borde de la boquilla. Para soldar materiales reactivos, tal como
Titanio conviene el uso de boquillas más grandes.
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Tabla 1: Electrodos de tungsteno y boquillas recomendadas para distintas corrientes (gas Ar)
Corriente continua, A Corriente alterna, A
Diámetro del Diám. Int- Polaridad Polaridad Onda no Onda
electrodo boquilla directaa inversaa balanceadab balanceadab
Pulg mm Pulg CCEN CCEP
0,010 0,25 1/4 Hasta 15 Hasta 15 Hasta 15
0,020 0,50 1/4 5-20 5-15 10-20
0,040 1,00 3/8 15-80 10-60 20-30
1/16 1,6 3/8 70-150 10-20 50-100 30-80
3/32 2,4 1/2 150-250 15-30 100-160 60-130
1/8 3,2 1/2 250-400 25-40 150-210 100-180
5/32 4,0 1/2 400-500 40-55 200-275 160-240
3/16 4,8 5/8 500-750 55-80 250-350 190-300
1/4 6,4 3/4 750-1100 80-125 325-450 325-450
a) Electrodos EWTh2; b) Electrodos EWP
5.2 ELECTRODOS:
Los electrodos de tungsteno son no consumibles, si el proceso se emplea como es debido,
ya que no se derriten ni transfieren a la soldadura. La función del electrodo de tungsteno es
servir como una de las terminales eléctricas del arco que proporciona el calor necesario para
soldar. La temperatura de fusión del tungsteno es de 3410 ºC, y cuando se acerca a esta
temperatura se vuelve termoiónico, es decir, es una fuente abundante de electrones. El
electrodo alcanza esta temperatura gracias al calentamiento por resistencia y, de no ser por
el considerable efecto de enfriamiento de los electrones que se desprenden de su punta,
dicho calentamiento haría que se fundiera la punta. De hecho, la punta del electrodo tiene
una temperatura mucho menor que el cuerpo del mismo.
Cinco factores se consideran en la selección de los electrodos para GTAW: composición
química, tamaño, forma de la punta, mandriles y boquillas.
5.2.1 CLASIFICACION DE LOS ELECTRODOS
Los electrodos de tungsteno se clasifican de acuerdo a su composición química. La Norma
ANSI/AWS A 5.12 "Especificación para electrodos de tungsteno para soldadura y corte por
arco", establece los requisitos que deben cumplir los mismos. La Tabla 2 muestra la
composición química y el sistema de clasificación por Código de color que es ampliamente
utilizado.
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Tabla 2: Código de color y elementos de aleación
Clasificación Colora Elemento Öxido de Porcentaje de óxido
AWS de aleación
aleación
EWP Verde -- --- -------
EWCe-2 Anaranjado Cerio CeO2 2
EWLa-1 Negro Lantano La2O3 1
EWTh-1 Amarillo Torio ThO2 1
EWTh-2 Rojo Torio ThO2 2
EWZr-1 Marrón Zirconio ZrO2 0,25
EWG Gris No se ----- ------
especifica
a)El color puede aplicarse en forma de bandas, puntos, etc.
b) El fabricante debe especificar el tipo y contenido de óxidos de tierras raras
ELECTRODOS EWP:
Los electrodos de tungsteno puro (EWP) contienen por lo menos 99,5% de tungsteno, y
ningún elemento de aleación intencional. La capacidad de transporte de corriente es menor
que la de los electrodos aleados. Se emplean principalmente con corriente alterna para
soldar aleaciones de aluminio y magnesio . La punta del electrodo mantiene un extremo
limpio en forma de bola, que produce un arco bastante estable. Se pueden utilizar con
corriente continua pero no ofrecen las características de encendido y estabilidad del arco de
los electrodos con torio, cerio o con lantano.
ELECTRODOS EWTh:
La emisión termoiónica del tungsteno puede mejorarse aleándolo con óxidos metálicos que
tienen funciones de trabajo muy bajas. El resultado es que los electrodos pueden manejar
corrientes de soldadura más altas sin fallar. El óxido de torio se usa para tal fin. Hay dos tipo
de electrodos de tungsteno con torio- EWTh -1 y EWTh –2 contienen 1 y 2% de óxido de
torio, respectivamente, (ThO2) llamado toria, dispersado uniformemente en toda su longitud.
El color de identificación de estos electrodos será amarillo o rojo de acuerdo al porcentaje de
óxido.
Estos electrodos superan a los de tungsteno puro en varios aspectos. La toria aumenta en
cerca del 20% la capacidad de transporte de corriente, los hace más duraderos y tienen
mejor encendido del arco. Son diseñados para usar con polaridad negativa (CCEN),
mantienen una configuración de punta aguda durante la soldadura. Casi nunca se utilizan
con CA ya que es muy difícil lograr la configuración en forma de bola.
El Torio es radiactivo de muy bajo nivel, por lo que debe extremarse las precauciones en el
amolado y en la ventilación durante la soldadura.
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ELECTRODOS EWCe, EWLa:
Los electrodos de tungsteno con cerio contienen 2% de óxido de Cerio (CeO ), llamado ceria.
2
Se identifican con el color Anaranjado.
Los electrodos de tungsteno con Lantano, contienen un 1% de óxido de lantano (La O ) se
2 3
identifican con el color negro.
Estos electrodos tienen iguales característica operativa que los electrodos con torio pero su
uso se prefiere ya que no son radiactivos.
ELECTRODOS EWZr:
Los electrodos de tungsteno con zirconio. Tienen características operativas intermedias entre
los de tungsteno puro y las de tungsteno con torio. Son los preferidos para soldar con CA.
Tienen buena resistencia a la contaminación.
5.2.2 CONFIGURACIÓN DE LA PUNTA DE LOS ELECTRODOS
La forma de la punta y el tamaño del electrodo es una variable importante del proceso
GTAW, esta depende de la aplicación de la soldadura; espesor a ser soldado; tipo de junta y
cantidad. La figura 5 muestra diversas geometría de la punta. La Tabla 3 da
recomendaciones sobre las geometrías de los electrodos
Electrodo para CCEN Electrodo para CA o CCEP
Figura 5. Formas de los electrodos de Tungsteno
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En general al aumentar el ángulo de afinamiento, aumenta la penetración de la soldadura y
disminuye el ancho. Si bien pueden usarse electrodos con punta cuadrada en CCEN, las
puntas cónicas ofrecen un mejor rendimiento.
Tabla 3: Forma de la punta y rango de corriente recomendado- (Ver Figura5)
Tabla 3: Formas de las puntas de los electrodos y rangos de corrientes
Cuando se suelda con CA o polaridad positiva, los electrodos deberán ser de mayor diámetro
(en general con electrodos de tungsteno puro o con zirconio) con la forma de la punta
deberá ser hemisférica. Para ello antes de usarse se enciendo el arco en CCEP o en CA
sobre una chapa de cobre refrigerada. Una vez que se formo la punta se reduce
gradualmente la corriente: El tamaño del hemisferio no deberá ser mayor que 15 veces el
diámetro del electrodo, pues de lo contrario puede desprenderse cuando este fundido.
Sea cual sea la geometría de la punta del electrodo que se escoja, es importante seguir
usando la misma geometría una vez establecido el procedimiento de soldadura. Los cambios
de geometría del electrodo pueden influir de manera significativa en el tamaño y forma de la
pileta soldada.
Los electrodos de tungsteno deben amolarse con su eje perpendicular al eje de la rueda de
amolar. A fin de evitar contaminación la piedra debe preservarse para amolar solo electrodos
de tungsteno. Los electrodos con torio, con cerio y con lantano, no son adecuados para CA,
en general sé fisura. Hay máquinas especiales que se utilizan para el amolado de los
electrodos de tungsteno, las que permiten seleccionar un ángulo adecuado para el amolado,
figura 6.
La tabla 4 muestra rangos de corrientes en función de composiciones químicas de los
electrodos, para el uso de Argón como gas de protección. La figura 7 muestra la forma de los
perfiles de soldaduras en función de los perfiles de la punta del electrodo para un proceso
con protección de Ar, 150 A y 2s de aplicación.
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