EFECTO DE LAS VARIABLES EN EL PROCESO DE SOLDADURA GMAW (MIG/MAG)

Las siguientes son algunas de las variables del proceso GMAW que afectan la penetración de la soldadura, la geometría del cordón y la calidad del
depósito de soldadura en toda su extensión:

• • 1. Corriente de Soldadura (Velocidad de Alimentación del Electrodo)
  • 2. Polaridad
  • 3. Voltaje de Arco (Longitud de Arco)
  • 4. Velocidad de Avance
  • 5. Extensión del Electrodo
  • 6. Orientación del Electrodo (Ángulo de Empuje o Ángulo de Arrastre)
  • 7. Posición de la Junta a Soldar
  • 8. Diámetro del Electrodo
  • 9. Composición del Gas de Protección y Flujo de Salida del Gas

El conocimiento y el control de estas variables son esenciales para la producción de soldaduras consistentes y de una calidad satisfactoria. Estas variables no son completamente independientes y el cambio en el valor de alguna de ellas generalmente requiere un cambio en alguna o en varias de las otras para producir los resultados esperados. Se requiere de habilidad y buena experiencia para seleccionar los valores óptimos de cada una de las variables para una aplicación en particular. Estos valores óptimos están afectados por el tipo de metal base, la composición del electrodo, la posición de soldadura y los requerimientos de calidad. Por lo tanto, no hay un conjunto único de parámetros que proporcione los resultados óptimos en cada uno de los casos.

1. CORRIENTE DE SOLDADURA

Cuando todas las otras variables se mantienen constantes, el amperaje de soldadura varía con la velocidad de alimentación del electrodo, o la rata de fusión, en una relación no lineal. Cuando la velocidad de alimentación del electrodo se varíe, el amperaje de soldadura variará en forma similar si se está utilizando una fuente de potencia de voltaje constante. En la Figura 1 se muestra la relación entre la corriente de soldadura y la velocidad de alimentación del alambre para aceros al carbono.
En los niveles bajos de corriente para cada tamaño de electrodo, la curva es aproximadamente lineal. Sin embargo, en las corrientes de soldadura más altas, particularmente con diámetros de electrodo pequeños, las curvas se vuelven no lineales, incrementándose progresivamente a una rata más alta según se incremente el amperaje de soldadura. Este comportamiento es atribuido a la resistencia calorífica de la extensión del electrodo más allá de la boquilla de contacto.

La relación entre la velocidad de alimentación del electrodo y la corriente de soldadura se ve afectada por la composición química del electrodo. Este efecto puede ser visualizado comparando la Figuras 1 (para electrodos de acero al carbono), 2 (para electrodos de aluminio), 3 (para electrodos de acero inoxidable y 4 (para electrodos de cobre). Las diferentes posiciones y pendientes de las curvas se deben a las diferencias en las temperaturas de fusión y resistividades eléctricas de estos metales. La extensión del electrodo también afecta estas relaciones.
Cuando se mantienen constantes todas las otras variables, un incremento en la corriente de soldadura (velocidad de alimentación del electrodo) resultará en lo siguiente:

• Un aumento en la penetración de la soldadura (profundidad y ancho del cordón)
• Un aumento en la rata de deposición
• Un aumento en el tamaño del cordón de soldadura

2 . POLARIDAD

El término polaridad se utiliza para describir la conexión eléctrica de la pistola de soldadura con relación a los terminales de una fuente de potencia que produzca corriente continua. Cuando el cable de la pistola se conecta al terminal positivo de la máquina, la polaridad es conocida como corriente directa electrodo positivo (DCEP), también conocida como polaridad invertida. La inmensa mayoría de las aplicaciones en GMAW utilizan polaridad invertida (DCEP). Esta condición proporciona un arco estable, una transferencia suave del metal de soldadura, salpicaduras relativamente bajas, buenas características del cordón de soldadura y una mayor profundidad de la penetración para un amplio rango de corrientes de soldadura.
La polaridad directa; es decir, corriente continua electrodo negativo (DCEN), es raramente utilizada porque la transferencia por spray axial no es posible. La polaridad directa tiene la clara ventaja de las altas ratas de fusión que no pueden ser explotadas porque la transferencia es globular. Con los aceros, la transferencia puede ser mejorada adicionando un porcentaje mínimo del 5% de oxigeno al argón de protección (requerido en aleaciones especiales para compensar las pérdidas por oxidación) o mediante tratamiento del alambre para hacerlo termoiónico ( lo cual incrementa el costo del metal de aporte). En ambos casos, las ratas de deposición se diminuyen, eliminando la única ventaja real de esta polaridad. No obstante, debido a la alta rata de deposición y a la menor penetración, penetración reducida, la polaridad negativa ha encontrado alguna aplicación en los recubrimientos superficiales.

3 . VOLTAJE DE ARCO (LONGITUD DE ARCO)

Los términos Voltaje de Arco y Longitud de Arco son a menudo utilizados indistintamente. La verdad es que estos términos son diferentes aun cuando efectivamente están relacionados. En el proceso GMAW la longitud de arco es una variable crítica que debe ser cuidadosamente controlada. Por ejemplo, en la transferencia por spray con protección de argón, un arco que sea demasiado corto experimenta cortos circuitos momentáneos. Estos cortocircuitos causan fluctuaciones de presión que bombean aire hacia el chorro del arco, produciendo porosidad y pérdida de ductilidad por el nitrógeno absorbido.
Si el arco fuese demasiado largo, éste tiende a desviarse, afectando tanto la penetración como el perfil de la cara de la soldadura. Un arco largo también pude interrumpir el gas de protección. En el caso de arcos enterrados con una protección de dióxido de carbono, un arco largo genera excesivas salpicaduras así como porosidad; si el arco es demasiado corto, la punta del electrodo entra en corto circuito con el charco de soldadura causando inestabilidad.
La longitud del arco es la variable independiente. El voltaje de arco depende de la longitud del arco así como de muchas otras variables tales como la composición y dimensiones del electrodo, el gas de protección, la técnica de soldadura y, dado que a menudo se mide en la fuente de potencia, incluso de la longitud del cable de soldadura. El voltaje del arco es un medio aproximado de medir la longitud física del arco (véase la Figura 5) en términos eléctricos, aunque el voltaje del arco también incluye la caída de voltaje en la extensión del electrodo que sobresale de la boquilla de contacto.

Si todas las variables se mantienen constantes, el voltaje del arco está directamente relacionado con la longitud del arco. Aunque la longitud de arco es la variable de interés y la variable que debería ser controlada, el voltaje es más fácil de monitorear. Por esta razón y por el requerimiento normal de que en el procedimiento de soldadura se especifique el voltaje del arco, éste es el término que se utiliza con mayor frecuencia.
Los niveles establecidos de voltaje del arco varían dependiendo del tipo de material base, gas de protección y el tipo de transferencia de metal. En la Tabla 1 se muestran valores típicos. Se requieren ejercicios de ensayo y error con el objeto de ajustar el voltaje del arco para producir las características de arco más favorables y la apariencia del cordón de soldadura. Estos ensayos son esenciales porque el voltaje de arco óptimo depende de una variedad de factores, incluyendo el espesor del material base, el tipo de junta, la posición de soldadura, el tamaño del electrodo, la composición del gas protector y la categoría de soldadura (soldaduras de ranura o filete, por ejemplo).
A partir de un valor específico del voltaje del arco, un aumento en el voltaje tiende a aplanar el cordón de soldadura e incrementa el ancho de la zona de fusión. Un voltaje excesivamente alto puede causar porosidad, salpicaduras y socavado. La reducción en el voltaje resulta en un cordón de soldadura más angosto con una corona más alta y una penetración más profunda. Un voltaje excesivamente bajo puede causar que el electrodo se embote.

4 . VELOCIDAD DE AVANCE

La velocidad de avance o de desplazamiento es la tasa de movimiento lineal del arco a lo largo de la junta a soldar. Con todas las otras condiciones constantes, la penetración de la soldadura es máxima con una velocidad de avance intermedia. Cuando se reduce la velocidad de avance, se aumenta la deposición del metal de aporte por unidad de longitud.
A velocidades muy bajas, el arco de soldadura actúa más en el charco de metal de soldadura que sobre el metal base, con lo que se reduce la penetración efectiva; esta condición también produce un cordón de soldadura más ancho.
En la medida en que se aumenta la velocidad de avance, la cantidad de energía térmica por unidad de longitud de soldadura transferida desde el arco hacia el metal base al principio se aumenta, ya que el arco actúa más directamente sobre el metal base. Con un aumento adicional en la velocidad de avance, se transferirá hacia el metal base menos energía térmica por unidad de longitud de soldadura. Por lo tanto, la fusión del metal base primero se aumenta y luego se disminuye cuando se incrementa la velocidad de avance.
Si se aumenta todavía más la velocidad de avance, habrá una tendencia a producir socavado a lo largo de los bordes del cordón de soldadura debido a que hay insuficiente deposición de metal de aporte para llenar el trayecto fundido por el arco.

5 . EXTENSIÓN DEL ELECTRODO

La Extensión del Electrodo es la distancia entre el extremo de la boquilla de contacto y la punta del electrodo tal como se muestra en la Figura 5. Cuando se aumenta la extensión del electrodo se produce un aumento en su resistencia eléctrica. El calentamiento por resistencia, a su vez, hace que la temperatura del electrodo se eleve, lo que resulta en un pequeño incremento de la rata de fusión del electrodo. En general, la mayor resistencia eléctrica produce una caída de voltaje mayor entre la punta del electrodo y la pieza de trabajo.
Esta situación es sensada inmediatamente por la fuente de potencia, la cual compensa este aumento con una reducción en la corriente. Esto de inmediato reduce la tasa de fusión del electrodo y permite que se acorte la longitud física del arco. En consecuencia, a menos que haya un incremento de voltaje en la máquina de soldar, el metal de aporte se depositará en un cordón angosto y de corona alta.
La extensión del electrodo deseable está generalmente entre ¼” a ½” (6 a 12 mm) para la transferencia por corto circuito y de ½” a 1" (12 a 25 mm) para la transferencia por spray.

6 . ORIENTACIÓN DEL ELECTRODO

Como en todos los procesos de soldadura por arco, la orientación del electrodo con respecto a la junta a soldar afecta la forma del cordón de soldadura y la penetración.
Este efecto sobre el cordón de soldadura es mayor que el del voltaje de arco o el de la velocidad de avance. La orientación del electrodo se describe de dos maneras: primero, por la relación entre el eje del electrodo y la dirección de desplazamiento (ángulo de desplazamiento) y segundo, con el ángulo entre el eje del electrodo y la superficie de la pieza de trabajo (ángulo de trabajo). Cuando el electrodo apunta en la dirección opuesta a la dirección del desplazamiento, la técnica se denomina soldadura de revés con ángulo de arrastre. Cuando el electrodo apunta en la dirección del desplazamiento, la técnica se conoce como soldadura de derecha o avance con ángulo de empuje. La orientación del electrodo y su efecto sobre el ancho y la penetración de la soldadura se ilustran en las Figuras 6 (A), (B) y (C).

Cuando el electrodo se saca de la perpendicular dándole un ángulo de ataque y con todas las demás condiciones sin alteración, la penetración disminuye y el cordón de soldadura se hace más ancho y plano. La máxima penetración en la posición plana se obtiene con la técnica de arrastre, empleando un ángulo de arrastre de unos 25° con respecto a la perpendicular.
Esta técnica también produce un cordón de soldadura más convexo y angosto, un arco más estable y menos salpicaduras sobre la pieza de trabajo. Para todas las posiciones, el ángulo de desplazamiento que generalmente se utiliza es un ángulo de arrastre que esté entre 5° y 15° con el fin de tener un buen control y protección del charco de soldadura.
Para algunos materiales, tales como el aluminio, se prefiere una técnica de avance. Esta técnica produce una “acción limpiadora” adelante del metal de soldadura fundido que reduce su tensión superficial y la oxidación del metal base. Cuando se requiere ejecutar soldaduras de filete en la posición horizontal (2F), el electrodo deberá colocarse a unos 45° respecto al miembro vertical (ángulo de trabajo), tal como se ilustra en la Figura 7.

Elaborado por: Ing. Andrés Rengifo
Coordinador Instituto de Soldadura Wes-Arco