Yoanni González González - DSpace@UCLV

Centro de Investigaciones de Soldadura
Facultad de Ingeniería Mecánica
Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas
Tesis de Grado
Consideraciones sobre el Proceso Robotizado de
Transferencia de Metal en Frío y la Soldabilidad de
Aleaciones de Aluminio Naval (AlMgSi) (AlMg)
Autor: Yoanni González González
Tutores: Dr. Carlos René Gómez Pérez.
MSc. René Eduardo de Luna Alanis.
Curso: 2010-2011
Resumen ………………………………………………………………………………………….2
Introducción .......................................................................................................................... 3
Capítulo 1: Aleaciones de aluminio naval y sus procesos de soldadura. ........................... 10
1.1. Problemas de soldabilidad de las aleaciones de aluminio AlMgSi y AlMg. ........ 10
1.2. Procesos de soldadura empleados en la soldadura de las aleaciones de
aluminio AlMgSi y AlMg: ..................................................................................... 13
1.3. Aplicaciones, ventajas y desventajas del proceso de soldadura con transferencia
de metal en frío: ................................................................................................. 19
1.4. Aplicación robotizada en la soldadura. Ventajas y desventajas: ........................ 19
1.5. Conclusiones del capítulo I:................................................................................ 21
Capítulo 2: Proceso robotizado de soldadura de transferencia de metal en frío ................ 22
2.1. Variables esenciales en el proceso robotizado de soldadura CMAT para
aleaciones de aluminios AlMgSi y AlMg: ............................................................ 22
2.2. Influencia de las variables esenciales del proceso CMAT, sobre la soldabilidad de
las aleaciones AlMgSi y AlMg, su automatización y su productividad. ............... 30
2.3. Conclusiones del capítulo II................................................................................ 40
Capítulo 3: Proceso combinado de soldadura con arco eléctrico pulsado, spray y
transferencia de metal en frío sobre aleaciones AlMgSi y AlMg. ...................... 41
3.1. Consideraciones metalúrgicas. .......................................................................... 41
3.2. Consideraciones operativas. .............................................................................. 44
3.3. Consideraciones económicas............................................................................. 45
3.4. Conclusiones del capítulo III............................................................................... 46
Conclusiones Generales .................................................................................................... 47
Recomendaciones .............................................................................................................. 49
Referencias………………………………………………………………………………………..50
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Resumen
En el presente trabajo se hace un estudio sobre el proceso de soldadura con alambre frío
(CMAT), Could Metal Arc Transfer, del inglés, y la soldadura de las aleaciones de aluminio
5XXX y 6XXX. El trabajo incluye una revisión bibliográfica, de la cual se obtiene como
resultado que el principal problema para soldar las aleaciones de aluminio de las series
5XXX y 6XXX es la capa de óxido, que se forma en la superficie de este metal. El proceso
CMAT es una evolución del proceso GMAW, que posibilita la unión de chapas de aluminio
con aceros y permite soldar espesores pequeños (hasta 0,5 mm), sin tener que usar
respaldos, aportando al metal base una relativa menor temperatura durante el proceso de
soldadura.
Summaries
At present it works a study on the process of soldering with cold wire (CMAT), Could Metal
Arc Transfer, of the English language, and the soldering of the alloys of 5XXX and 6XXX
aluminum is done. The work includes a bibliographical revision, which show that the oxide
slide is the main problem to solder the alloys of aluminum of the 5XXX and 6XXX series,
which it forms in the surface of this metal. The CMAT process is an evolution of the GMAW
process, that facilitates the union of aluminium sheets with steels and permits solder small
thicknesses (until 0,5 mm), without use backs, by contributing a relative smaller
temperature to the metal base during the process of soldering.
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Introducción
En la construcción naval se pueden distinguir claramente dos partes del proceso: las
actividades de taller, donde el grado de mecanización/automatización es elevado; respecto
a las actividades de dique, que son realizadas manualmente o herramientas
semiautomáticas muy precarias.
En esta última etapa, dentro del proceso de construcción naval, se deben unir bloques o
secciones fabricados en el taller manualmente mediante procesos de soldadura por arco
eléctrico manual (SMAW) y semiautomáticos con protección gaseosa (MIG/MAG). En esta
etapa generalmente aparecen diferentes calidades de soldadura, ya que su éxito depende
de la habilidad y pericia del soldador: Por otra parte se caracteriza por un costo
relativamente más elevado y por una productividad más baja. Se estima que la longitud de
la soldadura de esta parte del proceso representa entre el 4 y 6 % de la longitud de
soldadura total de un barco y, sin embargo, consume el 30 a 35 % de los costos de
fabricación [1].
La soldadura de las aleaciones de aluminio con el proceso MIG resulta especial y
compleja, incluso para operarios expertos en la soldadura de aceros. Soldar aluminio
presenta un desafío, entre otros factores por la relativa alta conductividad térmica y el
menor punto de fusión de las aleaciones de aluminio, lo que puede conducir a
perforaciones [2]. Además de estos, existen otros factores, tales como la alimentación del
alambre, ya que es más dúctil que el acero, con una resistencia a la tracción más baja,
además de tender a enredarse en los rodillos de tracción.
Mientras que el óxido de aluminio en la superficie funde a 2038 °C y el aluminio metálico a
649°C, cualquier óxido o contaminante que esté presente en la superficie inhibirá la
penetración del aporte produciendo defectos y baja resistencia [3].
La soldadura de aluminio necesita ser realizada de forma “caliente y rápida” [2], a
diferencia del acero. La alta conductividad térmica de las aleaciones de aluminio determina
el ajuste y uso de corrientes eléctricas, voltajes de arco y velocidades de avance
relativamente más altos, resultando importante considerar aspectos de automatización.
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Otro factor clave para soldar el aluminio es la correcta selección del gas de protección. El
gas comúnmente utilizado es el Argón (Ar), debido a su buena acción limpiadora y perfil de
penetración [2]. En la soldadura de aluminio de las series 5XXX, como gas de protección
se han empleado con éxito mezclas de Argón (Ar) + Helio (He) + Nitrógeno (N), las cuales
han mostrado contribuir a estabilizar el arco eléctrico, evitar la generación de chispas y
contra la aparición de poros, factores muy importantes para la soldadura sobre chapas
delgadas [3].
Estas características deben ser consideradas para seleccionar la fuente de corriente para
soldar aluminio, al emplear el método de transferencia: arco “spray” o arco pulsado [4].
El arco “spray” toma una porción minúscula de metal fundido y lo pulveriza, a través del
arco, desde el alambre hasta el metal base. Bajo este proceso se pueden también soldar
espesores relativamente gruesos con corrientes superiores a los 350 A.
La transferencia por arco pulsado se lleva a cabo generalmente con un equipo con
tecnología inversora. De acuerdo a los últimos avances tecnológicos en la producción de
fuentes de corriente, estos equipos cuentan con procedimientos instalados basados en el
tipo y diámetro del alambre de aporte. En el proceso MIG pulsado una gota de metal de
aporte se transfiere desde el alambre a la pieza en cada pulso de corriente. Este proceso
proporciona menos salpicaduras y se desarrolla con velocidades de avance más rápidas,
se tiene un mejor control del aporte térmico (Head Input), mayor facilidad de soldeo en
diferentes posiciones y permite soldar chapas delgadas, desde 1 mm, con relativas bajas
velocidades de alimentación y corrientes de soldadura [4].
Desde 1988 se utilizan las matrices de robots en la industria automotriz para realizar
aplicaciones de soldadura por puntos sobre el chasis. Posteriormente, con el avance
tecnológico se desarrollan los robots con soldadura por arco eléctrico continuo,
incrementando su campo de trabajo a muchos procesos de unión por fusión de metal.
Desde entonces los robots de soldadura han sido usados en dos variantes: como
elementos de línea de producción o como unidades independientes denominadas celdas
robóticas. Estas últimas son más versátiles y flexibles para la manufactura moderna, ya
que permiten una amplia variedad en partes soldadas, control de la secuencia del robot y
posiciones de soldadura. Con el desarrollo de los robots articulados se adquiere una gran
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flexibilidad de trabajo, ya que con sus 5 ó 6 grados de libertad pueden posicionarse en
todo el campo espacial 3D (x,y,z) [5].
Adicionalmente, se han sumado nuevas herramientas tecnológicas con el propósito de
dotar a los robots de inteligencia, como los sistemas de visión de trayectorias, control del
ancho de la ranura e inspección en tiempo real de la calidad de soldadura por sistemas
láser. La importancia principal de la creciente utilización de robots para automatizar
procesos de soldadura es la reducción del costo. Los retos propios de la industria,
retención, entrenamiento, ergonomía y seguridad son algunas razones para automatizar
las operaciones de soldadura con robots [5].
Existen ciertos materiales y aplicaciones, que no soportan el calor constante del proceso
de soldadura. Ante estos casos se debe recurrir a otros procesos de ensamble mecánico y
renunciar a las ventajas de una unión por soldadura. El nuevo proceso de transferencia de
metal en frío tiene como principal característica la alternancia entre instantes más
calientes por otros fríos, durante la ejecución de la soldadura [6, 7].
La primera diferencia fundamental con respecto a la soldadura de arco corto es el
movimiento del hilo, que se integra directamente en la regulación del proceso. El control
digital del proceso detecta un cortocircuito y ayuda al desprendimiento de la gota mediante
el desplazamiento reciprocante del hilo, hacia delante y hacia atrás, una y otra vez.
La segunda diferencia es una transferencia del material sin corriente, cuando el hilo se
desplaza hacia delante y, tan pronto como se produce el cortocircuito, retrocede
automáticamente. De esta forma, el arco voltaico durante la fase de combustión producirá
por sí mismo un breve calentamiento, y a continuación, se reducirá inmediatamente la
aplicación de calor de la forma: Caliente, Frío, Caliente, Frío, alternadamente.
La tercera diferencia fundamental es la continuidad del movimiento permanente del
avance y retroceso del hilo. Este movimiento ayuda al desprendimiento de la gota durante
el cortocircuito; el resultado es una transferencia de metal sin salpicaduras.
Estas características hacen del proceso de transferencia de metal en frío único en el
mundo, lo que ha permitido realizar uniones soldadas en chapas tan finas, como en
espesores mayores a 0,3 mm, así como realizar uniones soldadas entre materiales
disímiles entre sí, como lo constituyen el aluminio y el acero.
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Naturalmente, el frío es relativo, pero teniendo en cuenta el calentamiento habitual del
proceso (MIG/MAG) el proceso de transferencia de metal en frío mediante sus
características da como resultado un calentamiento menor y todas las ventajas para
nuevas aplicaciones.
Esta tecnología es relativamente nueva, es comercializada a partir del 2004, no
habiéndose estudiado a profundidad desde el punto de vista científico en aplicaciones
relacionadas a la soldadura de aluminios. Tampoco se conoce con profundidad las
ventajas y limitantes en estas nuevas aplicaciones, propósito del presente proyecto de
investigación.
Algunos de estos resultados no están representados en libros o normas de soldadura. Sin
embargo, se promueven investigaciones recientes, dado el interés del sector automotriz
por uniones de chapas delgadas. Este aspecto también corrobora la actualidad y
necesidad del tema abordado.
La falta de nuevos procesos para la soldadura del aluminio lo hace un proceso de
fabricación más lento y más caro, dado que depende, en gran medida, de la habilidad del
operador. Otro factor clave es la disponibilidad de tecnología para realizar el proceso de
soldadura [7, 8].
Se refleja que en la actualidad sobreviven 65 instalaciones privadas en ambos litorales de
México, de las cuales el 87% son consideradas como astilleros artesanales con poca
infraestructura y nula tecnología, mientras que el 13%, se encuentra distribuido entre la
pequeña y mediana industria, con una suficiente infraestructura y tecnología, que ofrece
empleo a poco más de mil trabajadores en el sector [8], lo cual demuestra la existencia de
una brecha tecnológica en este campo.
Existen políticas federales del gobierno mexicano por reactivar el sector de la construcción
naval, especializándose en las flotas comerciales, como la construcción de barcos para la
pesca del camarón y del atún.
Los astilleros medianos se están enfocando a dar servicio y reparar el sector de mega
yates, por su cercanía al mercado de los Estados Unidos, y se está incrementando la
inversión extranjera en el sector.
La presente investigación trata de contribuir a la generación de conocimiento científico
para el desarrollo de un nuevo método y aplicación de soldadura bajo el proceso (GMAW)
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aplicando la nueva tecnología de soldadura llamada transferencia de metal en frío,
investigando su ventajas sobre los procesos convencionales de soldadura por arco
eléctrico (MIG). Se enmarca, además dentro del contexto científico de un tema de
investigación de un aspirante a doctorado mexicano, asesorado por el Centro de
Investigaciones de Soldadura de la UCLV.
Problema
Se espera que el proceso robotizado de soldadura con transferencia de metal en frío
pueda resolver los problemas de productividad y soldabilidad de las aleaciones de
aluminio AlMgSi y AlMg, destinadas a aplicaciones navales; sin embargo, no se han
valorado suficientemente la influencia de la acción conjunta de las variables esenciales
óptimas de dichas aplicaciones, ni su efecto sobre los posibles defectos en las aleaciones
soldadas.
Preguntas de Investigación
1. ¿Se ha automatizado el proceso de soldadura con transferencia de metal en frío, a
través del uso de robots articulados?
2. ¿Qué variables pudieran considerarse como esenciales en el proceso robotizado de
soldadura de transferencia de metal en frío de aleaciones de aluminios navales de las
series AlMgSi y AlMg?
3. ¿Cómo pudieran influir estas variables sobre la soldabilidad de las aleaciones de
aluminio de las series AlMgSi y AlMg, su automatización y productividad del proceso?
Hipótesis
Pudiera sentarse las bases para relacionar las variables esenciales del proceso de
soldadura robotizada con arco eléctrico pulsado y arco “spray”, empleando transferencia
de metal en frío, sobre la soldabilidad y la productividad de las uniones de aluminios
navales de las series AlMgSi y AlMg.
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Objetivo General
Determinar los aspectos necesarios a considerar para relacionar las variables del proceso
de soldadura robotizada con arco eléctrico pulsado, empleando arco “spray” y
transferencia de metal en frío, con la soldabilidad de aluminios navales de las series
AlMgSi y AlMg y la productividad del proceso.
Objetivos Específicos
1. Determinar los problemas de soldabilidad de las aleaciones de aluminio de las series
AlMgSi y AlMg, las aplicaciones, ventajas y desventajas del proceso de soldadura con
transferencia de metal en frío y la aplicación robotizada de la soldadura combinando
dichos procesos.
2. Determinar qué variables pudieran considerarse como esenciales en el proceso
robotizado de soldadura de transferencia de metal en frío de aleaciones de aluminios
navales de las series AlMgSi y AlMg y cómo pudieran influir estas variables sobre la
soldabilidad de las aleaciones de aluminio de las series AlMgSi y AlMg, su
automatización y productividad del proceso.
Tareas
1. Especificación de los problemas de soldabilidad de las series de aluminios AlMgSi y
AlMg.
2. Descripción de las aplicaciones, ventajas y desventajas del proceso de soldadura
con transferencia de metal en frío.
3. Delimitación del alcance actual de la soldadura robotizada.
4. Determinación de las variables que pudieran considerarse como esenciales en el
proceso robotizado de soldadura con transferencia de metal en frío sobre
aleaciones de aluminios navales de las series AlMgSi y AlMg.
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Aportes del trabajo:
1. Compendio de información sobre la soldabilidad de las aleaciones de aluminio AlMgSi
y AlMg, de aplicación naval, el proceso de soldadura con transferencia de metal en frío
y la aplicación robotizada en la soldadura.
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Capítulo 1: Aleaciones de aluminio naval y sus procesos de soldadura.
1.1.
Problemas de soldabilidad de las aleaciones de aluminio AlMgSi y AlMg.
Las aleaciones de aluminio se conocen por su peso ligero y resistencia a la corrosión. Su
densidad es (2,77 g·cm-3) aproximadamente 1/3 la del acero. Presenta buena resistencia a
la corrosión, tanto expuesto al aire, como al agua, al aceite, y a otros medios. Esta
resistencia se debe a una película de óxido (alúmina) fuerte y refractaria, que se forma
rápidamente sobre una superficie limpia expuesta al aire [9].
Este óxido de aluminio es prácticamente insoluble en el metal y dificulta el mojado del
material base por el metal de aporte fundido; por esto durante la soldadura esta película
debe ser rota y removida para lograr una adecuada fusión y dilución del metal de aporte
con el material base.
La conductividad térmica (k = 209,3 W·(m·K) -1, a 20 ºC) y eléctrica (ρ = 0,0278 Ω·mm2·m-1,
a 20 ºC) del aluminio laminado [10] es aproximadamente 3,83 y 4,6 veces mayor que las
del acero (k = 54,7 W·(m·K) -1; ρ = 0,13 Ω·mm2·m-1 y a 20 ºC) [10], respectivamente; esto
provoca que se requieran relativamente mayores entradas de calor cuando se suelda [11].
Cuando se sueldan secciones gruesas un precalentamiento puede ayudar a reducir la
necesidad de entrada de calor a la pieza.
Aleaciones de aluminio:
El aluminio se alea fundamentalmente con cobre, magnesio, manganeso, silicio, y zinc.
Para obtener algunas propiedades deseadas y afinamiento de grano se realizan pequeñas
adiciones de cromo, hierro, níquel, y titanio.
El magnesio, el manganeso, el silicio y el hierro, de forma individual o combinada, se
emplean para aumentar la resistencia del aluminio por solución sólida o por dispersión de
compuestos intermetálicos en la matriz.
Las adiciones de cobre, magnesio, silicio, y zinc en cantidades apropiadas producen
aleaciones que son trazómbles térmicamente. Estos elementos de forma individual o
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combinada presentan un aumento de su solubilidad en estado sólido con el aluminio, en la
medida que se eleva la temperatura. Es por esto que se puede aumentar la resistencia de
tales aleaciones tratándolas térmicamente, o tratándolas térmicamente unido a un proceso
de deformación en frío.
Este efecto de aumento de resistencia puede ser afectado por el calor de la soldadura; en
este caso se obtienen propiedades óptimas con un tratamiento térmico posterior a la
soldadura.
Principales problemas de soldabilidad del aluminio y sus aleaciones:
El principal problema de soldabilidad del aluminio y sus aleaciones lo constituye la
formación de la alúmina (Al2O3), la cual posee una temperatura de fusión (2030°C), muy
superior a la del metal (600°C); sin embargo, con una densidad (2 300 g·m-3) aproximada
a la del aluminio (2700 g·m-3) [10]. La capa de alúmina formada es causa de la mala
soldabilidad operatoria del metal y sus aleaciones. Su presencia se opone al “mojado” del
baño fundido, que aseguran la continuidad del cordón de soldadura. Al penetrar en la
costura, esta película de óxido forma inclusiones no metálicas, que interfieren en la
continuidad del metal solidificado y, por tanto, disminuye las propiedades mecánicas de la
unión.
En el caso de algunas aleaciones, el ciclo térmico de soldadura provoca en el metal base y
en la zona fundida, la precipitación de compuestos desde solución sólida, originando la
disminución, por una parte, de las propiedades mecánicas y, por otra, de la resistencia a la
corrosión.
Durante la soldadura del aluminio y sus aleaciones se pueden formar poros en el metal de
la costura. Se considera que el principal elemento que los provocan es el hidrógeno, el
cual se puede presentar debido a la presencia de humedad en las partes a soldar (material
base y material de aporte), el calentamiento insuficiente del cordón de soldadura, que
posibilite la salida de los gases, o la presencia de hidrógeno o vapores de agua en el
argón, con que se está protegiendo la soldadura, si el proceso es semiautomático.
El aluminio y sus aleaciones tiene un considerable coeficiente de dilatación lineal
(α=23,810-6 K-1) [10], por eso durante la soldadura es preciso tomar medidas especiales
de lucha contra las deformaciones, que son elevadas. Aunque esto en parte se
contrarresta por su relativa baja temperatura de fusión (658°C) [10].
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Una dificultad complementaria surge como consecuencia de la aparición de grietas en
caliente (de solidificación). En las aleaciones Al-Mg su formación depende del contenido
de Si y Fe en el metal de la costura. El aumento del Si hasta 0,6% conduce a la reducción
de la resistencia del metal de la costura y a la formación de grietas de cristalización,
mientras que el aumento del contenido de Fe hasta 0,7%, aumenta dicha resistencia.
El aluminio durante su calentamiento no presenta cambios de coloración, lo que dificulta
apreciar cuando se acerca al punto de fusión durante la operación de soldeo, por lo que el
soldador debe poner cuidadosa atención al área que está siendo calentada para controlar
el flujo de metal cuando se inicie la fusión.
Serie 5XXX y 6XXX. Algunas de sus características:
Serie 5xxx. Esta serie usa el Mg como principal elemento de aleación y, a veces, también
se añaden pequeñas cantidades de Mn, cuyo objetivo es el de endurecer el aluminio. El
Mg es un elemento que endurece más el aluminio, que el Mn (un 0,8% de Mg produce el
mismo efecto que un 1,25 de Mn) y, además, se puede añadir más cantidad de Mg que de
Mn. Estas aleaciones se caracterizan por una media y alta aleación obtenida por
endurecimiento por deformación, buena soldabilidad, buena resistencia a la corrosión en
ambiente marino y una baja capacidad de trabajo en frío. Estas características hacen que
estas aleaciones se usen para adornos decorativos, ornamentales y arquitectónicos, en el
hogar, iluminación de las calles y carreteras, botes, barcos y tanques criogénicos, partes
de puentes grúa y estructuras de automóviles.
Serie 6xxx. En estas aleaciones se usan el Mg y el Si como elementos de aleación, en
proporciones adecuadas para que se forme el Mg2Si. Esto hace que esta aleación sea
trazómble térmicamente. Estas aleaciones son menos resistentes que el resto de las
aleaciones, a cambio tienen también buena deformabilidad, soldabilidad, maquinabilidad y
resistencia a la corrosión. Estas aleaciones pueden moldearse y endurecerse por una
serie de acciones. Su uso suele ser el de aplicaciones arquitectónicas, cuadros de
bicicletas, pasamanos de los puentes, equipo de transporte y estructuras soldadas.
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1.2.
Procesos de soldadura empleados en la soldadura de las aleaciones de
aluminio AlMgSi y AlMg:
1.2.1. Soldadura GTAW del aluminio:
El proceso GTAW se adecua a la soldadura de aluminio en espesores, que pueden ir,
desde los 0,7 hasta los 10 mm, aunque no hay un límite máximo de espesor de soldadura.
El proceso utiliza corriente alterna y, de estar disponible, corriente continua con alta
frecuencia. Como gases de protección se pueden usar argón, argón – helio o helio; esto lo
determina el espesor del material base.
La onda de corriente alterna rompe la capa de óxido superficial y derrite efectivamente el
metal.
Las partes a unir deben prepararse de manera que, en la junta de la soldadura, no haya
espaciamiento; esto evitará el descontrol del charco de soldadura y la deformación de las
piezas por el calor.
En espesores superiores a 5 mm debe realizarse un biselado en la pieza para permitir una
correcta fusión en la raíz de la junta.
Para láminas muy delgadas es preferible utilizar una plantilla de respaldo para evitar
chorreaduras, distorsiones y separaciones de la junta.
Si es posible soldar espesores delgados con TIG de pulsos se tiene una ventaja, ya que el
aporte de calor es menor y, por tanto, reduce el riesgo de distorsión[12].
1.2.2. Soldadura GMAW del aluminio:
El proceso GMAW se puede utilizar para soldar aluminio en espesores desde 3 mm en
adelante, teniendo un desempeño óptimo, aunque no comparable con el de la calidad de
la soldadura GTAW; sin embargo, la velocidad de avance es mucho mayor.
Este proceso utiliza corriente continua con polaridad inversa y se usa siempre argón como
gas protector. En este proceso debe usarse siempre material de aporte, a diferencia del
GTAW en el que es opcional su uso.
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El paso de iones desde el aluminio hacia el electrodo rompe la capa superficial y derrite el
material de aporte, que conforma el cordón de soldadura.
Una boquilla de soldadura GTAW es un electrodo no consumible de tungsteno resistente a
la temperatura. El arco que viene de él, calienta y derrite el material. Según se requiera, un
alambre de relleno es alimentado manualmente o mediante una unidad de alimentación de
alambre. En muchos casos, una ranura estrecha no requiere de material de relleno en
absoluto mientras es soldada. La ignición del electrodo normalmente ocurre sin que el
electrodo de tungsteno toque la pieza de trabajo. Esto requiere de una fuente de alto
voltaje que se conecta temporalmente durante la ignición. Para la mayoría de los metales,
la soldadura en sí se lleva a cabo usando corriente directa. El aluminio, sin embargo, se
suelda utilizando corriente alterna.
La boquilla para el gas protector es colocada alrededor del electrodo de tungsteno. El gas,
que fluye hacia afuera, protege el material calentado de reacciones químicas con el aire
circundante, asegurando, por tanto, la resistencia mecánica requerida y a la corrosión
(durabilidad) del material de soldadura. Son utilizados como gases protectores gases
inertes, tales como el argón, helio o sus compuestos. Hasta el hidrógeno se utiliza
ocasionalmente. Todos estos gases son inactivos, que es a lo que se refiere el término
científico "inerte".
El gas más utilizado para protección en la soldadura GTAW es el argón. Optimiza las
propiedades de ignición, así como la estabilidad del arco y ayuda a obtener una mejor
zona de limpieza que el helio. Esto, a su vez, asegura una penetración de fusión
especialmente ancha y profunda, gracias a su conductividad térmica, que es nueve veces
mayor que la del argón. El argón, usado en conjunto con el aluminio, potencia una menor
formación de poros. Sin embargo, el hidrógeno se añade algunas veces para soldar
aceros austeníticos, en porcentaje de sólo 2 a 5%; el resto de la mezcla está constituida
por argón. La conductividad térmica del hidrógeno es once veces más alta que el argón, lo
que permite una relativa alta profundidad de penetración y una remoción efectiva a la
salida de gases.
Al soldar materiales resistentes a la corrosión, por ejemplo, aceros inoxidables, las orillas
calientes se oxidan por el contacto con el oxígeno contenido en el aire, que no siempre se
puede evitar por completo. Entonces aparecen los llamados colores del recocido, pueden
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removerse mediante elaboración mecánica posterior, lo que puede restablecer la
resistencia a la corrosión. Es preferible, sin embargo, el evitar que se formen los colores
desde el principio. Esto sucede utilizando los gases llamados “forming gas”. Los “forming
gas” mantienen el aire separado de las orillas de la costura de soldadura y en algunos
casos hasta tienen influencia en la forma de la raíz de la costura. Los “forming gas” están
compuestos principalmente de hidrógeno y nitrógeno, pero también se usa el argón[13].
Las diferencias entre las conductividades térmicas y la temperatura de fusión de las
aleaciones de aluminio, respecto a las aleaciones de acero pueden fácilmente producir
perforaciones a menos que los soldadores sigan los procedimientos prescritos.
También, la alimentación del alambre durante el soldeo MIG (GMAW) presenta un reto,
debido a que el alambre es más blando que el acero y con una resistencia más baja tiende
a enredarse en los rodillos de arrastre.
Para superar estos retos, en el caso de la soldadura MIG, los operarios necesitan seguir
los métodos prácticos y las guías indicadas a continuación:
a) Preparación del metal base:
El óxido de aluminio en la superficie del material funde a 2038 ºC mientras que el aluminio,
metal base de debajo, funde a 649 ºC. Por ello, cualquier óxido que quede en la superficie
del metal base inhibirá la penetración del metal de aporte en la pieza.
Para eliminar los óxidos de aluminio, debe utilizarse un cepillo de alambre de acero
inoxidable o disolventes y soluciones decapantes. Si se usa un cepillo de acero inoxidable,
debe cepillarse solo en una dirección. Debe tenerse cuidado de no cepillar demasiado
enérgicamente, ya que pueden incrustarse los óxidos en la pieza. Es necesario considerar
usar solo el cepillo para piezas de aluminio; no debe limpiarse aleaciones de aluminio con
un cepillo, que haya sido utilizado para acero inoxidable o acero al carbono. Cuando se
usen soluciones químicas decapantes, debe asegurarse que han sido eliminadas de la
pieza antes de soldar.
Para soldar el aluminio, los operarios deben limpiar cuidadosamente el material base y
eliminar cualquier óxido de aluminio y contaminación por hidrocarburos procedentes de
lubricantes o refrigerantes de corte. Para ello, debe limpiarse las superficies con un
desengrasante. Además, debe verificar que el desengrasante no contenga hidrocarburos.
b) Precalentamiento:
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El precalentamiento de la pieza de aluminio puede ayudar para evitar la fisuración de la
soldadura. La temperatura de precalentamiento no debe exceder de 110ºC. Usar un
indicador de temperatura para prevenir sobrecalentamiento.
Además, colocar puntos de soldadura al principio y al final de la zona a soldar ayudará la
eficacia del precalentamiento. También debe precalentarse una pieza de aluminio grueso
cuando se suelda a una pieza delgada. En el caso de problemas de fusión insuficiente en
el inicio, la solución puede ser la adición de chapas de inicio y fin de soldadura.
c) La técnica del empuje (hacia la izquierda):
Con aluminio, utilizar una técnica de empuje en lugar de arrastre (hacia la derecha),
alejando la pistola fuera de baño, se conseguirá menor contaminación en la soldadura, y
mejor acción limpiadora y cobertura de gas de protección.
d) Velocidad de soldadura:
La soldadura del aluminio necesita ser realizada caliente y rápida. A diferencia del acero,
la alta conductividad térmica del aluminio determina el uso de ajustes de amperajes,
tensiones y velocidades de avance más altos. Si la velocidad de avance es demasiado
baja el soldador corre el riesgo de perforar la chapa, en especial, si es chapa delgada.
e) Gas de protección:
El argón, debido a que contribuye a una relativa buena acción limpiadora y un mayor perfil
de penetración, es el gas de protección más comúnmente usado para la soldadura del
aluminio. En la soldadura de las aleaciones de aluminio de la serie 5XXX un gas de
protección compuesto por una mezcla de argón con helio (≤ 75 % de He), minimizará la
formación de óxido de magnesio.
f)
Alambre de soldadura:
Debe seleccionarse un alambre de aluminio que tenga una temperatura de fusión similar a
la del material base. Cuanto más pueda el operario acercarse al rango de fusión del metal,
más fácil será soldar la aleación. Emplear alambres de 1,2 ó 1,6 mm de diámetro. Cuanto
mayor sea el diámetro del alambre, más fácil es la alimentación. Para soldar material
delgado, un alambre de 0,9 mm de diámetro combinado con un procedimiento de
soldadura con corriente pulsada y una baja velocidad de alimentación (de 250 a 760
cm·min-1 (100 a 300 in/min)) dará buenos resultados.
g) Soldaduras de forma convexa:
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En la soldadura del aluminio, la fisuración del cráter causa la mayoría de los defectos. La
fisuración proviene del alto valor de la dilatación térmica del aluminio y de las
considerables contracciones, que ocurren cuando se enfrían las soldaduras. El riesgo de
fisuración es más grande con cráteres cóncavos, dado que la superficie del cráter se
contrae y se fractura cuando se enfría. Por ello, debe rellenarse el cráter de manera que
quede convexo (formando un montículo). Al enfriarse la soldadura, la forma convexa del
cráter compensará las fuerzas de contracción.
h) Selección del equipo:
Cuando se selecciona una fuente de corriente para la soldadura MIG de aleaciones
aluminio, hay que considerar, en primer lugar, el método de transferencia: arco “spray” o
arco pulsado.
Para el soldeo con arco “spray” puede utilizarse equipos de corriente constante (cc) y de
tensión constante (cv). El arco “spray” toma un chorro minúsculo de metal fundido y lo
pulveriza a través del arco, desde el alambre hasta el metal base. Para aluminio grueso,
que requiere corrientes de soldeo superiores a 350 A, los equipos de corriente constante
(cc) producen resultados óptimos.
La transferencia por arco pulsado se lleva a cabo, generalmente, con un equipo de
tecnología inversora. Los equipos más recientes llevan instalados procedimientos de arco
pulsado basados en el tipo y diámetro de alambre. En el MIG pulsado, una gota de metal
de aporte se transfiere desde el alambre a la pieza en cada pulso de corriente. Este
proceso proporciona menos salpicaduras y velocidades de avance más rápidas que las del
soldeo por arco “spray”. También se tiene mejor control del aporte térmico (heat input),
mayor facilidad de soldeo en posición y permite al operario soldar materiales bases
delgados a bajas corrientes y velocidades de alimentación.
i)
Alimentador:
El método preferido para la alimentación del alambre de aluminio, a largas distancias es el
método push-pull (empuje y arrastre), que emplea un alimentador cerrado para proteger el
alambre del ambiente. Un motor de velocidad variable y par constante en el devanador
ayuda a empujar y guiar el alambre, a través de la pistola a una fuerza y velocidad
constantes. Un motor de alto torque en la pistola arrastra el alambre y mantiene
constantes la velocidad de alimentación y longitud de arco.
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En algunos talleres, los soldadores utilizan los mismos alimentadores para alambre de
acero y de aluminio. En este caso, el uso de espirales de plástico o teflón ayudará a
asegurar una alimentación suave y constante. Para los tubos guía, deben usarse tubos de
salida de tipo cincel y tubos de entrada de plástico para mantener el alambre lo más cerca
posible de los rodillos de arrastre y prevenir enredos del alambre.
Durante el soldeo, mantener la manguera de la pistola lo más recta posible para minimizar
la resistencia a la alimentación. Verificar la correcta alineación entre los rodillos de arrastre
y los tubos guía para evitar el uso del raspado de aluminio.
Utilice rodillos de arrastre diseñados para aluminio. Ajuste la tensión del rodillo de arrastre
para suministrar una tasa de alimentación constante: una tensión excesiva deformará el
alambre y causará rugosidad y alimentación errática; una tensión demasiado pequeña
dará alimentación irregular. El uso extremo de ambas condiciones puede conducir a un
arco inestable y porosidad en la soldadura.
j)
Pistolas de soldadura:
Para el soldeo de las aleaciones de aluminio se debe utilizar una espiral independiente
para la pistola. Para evitar calentamiento del alambre, intentar restringir ambos finales de
la camisa para eliminar separaciones entre la ésta y el difusor de gas de la pistola.
Cambiar las camisas a menudo para minimizar el potencial abrasivo del óxido de aluminio
que causa problemas de alimentación.
Utilizar boquillas de contacto de diámetro 0,4 mm, más grandes que el diámetro del
alambre que se utilice, ya que las boquillas calientes se dilatan en forma oval y
probablemente limitarían la alimentación del alambre. Generalmente, cuando se emplea
una corriente de soldadura por encima de los 200 A, se debe utilizar una pistola
refrigerada por agua, para minimizar el aumento de temperatura y reducir las dificultades
de la alimentación.
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1.3.
Aplicaciones, ventajas y desventajas del proceso de soldadura con
transferencia de metal en frío:
Considerando lo anterior la soldadura de las aleaciones de aluminio puede presentar un
verdadero desafío incluso para los expertos en la soldadura de aceros. Una solución a los
problemas de soldabilidad del aluminio puede ser el empleo del arco eléctrico pulsado y
arco “spray”, empleando transferencia de metal en frío (CMAT).
El proceso de soldadura por transferencia de metal frío (CMAT), es la evolución del
proceso GMAW, pero incorpora una nueva técnica, para desprender las gotas de metal de
aporte, logrando transferir el metal con una muy baja intensidad de calor. El resultado
puede ser descrito como una alternada secuencia calor – no calor – calor – no calor
(Figura 1.1), que reduce en gran medida la presión del arco. La combinación de una
reducción de aporte térmico y la ausencia de chisporroteo hacen posible el uso de
soldadura para aplicaciones, que no habría sido posible antes, además que entrega una
mayor productividad.
Figura 1.1: Secuencia del ciclo del proceso de transferencia de metal en frío
1.4.
Aplicación robotizada en la soldadura. Ventajas y desventajas:
La soldadura robotizada consiste en el uso de herramientas programables mecanizadas
(robots), con las que se lleva a cabo un proceso de soldadura completamente automático,
tanto en la operación de soldeo, como de posicionamiento de la pieza. Los procesos, tales
como soldadura GMAW, a menudo automatizados, no son necesariamente equivalentes a
la soldadura robotizada, ya que el operador humano a veces prepara los materiales a
soldar. Generalmente, la soldadura robotizada se usa para la soldadura por puntos y la
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soldadura por arco se aplica en producción a gran escala, por ejemplo, la industria del
automóvil.
La soldadura robotizada es una aplicación relativamente nueva de la robótica, aunque los
robots se introdujeron primero en la industria estadounidense en la década de los 1960. El
uso de robots en soldadura no despuntó hasta la década de los 1980, cuando la industria
del automóvil comenzó a usar robots masivamente para la soldadura por puntos. Desde
entonces, tanto la cantidad de robots empleados en la industria como la variedad de sus
aplicaciones ha crecido en gran medida. Cary y Helzer sugieren que, más de 120.000
robots se usan en la industria norteamericana, de los cuales prácticamente la mitad tienen
que ver con la soldadura. En un principio, el crecimiento quedó limitado por el elevado
costo del equipamiento, resultando una restringida aplicación en la producción a gran
escala.
La soldadura con arco eléctrico robotizada ha empezado a crecer con rapidez sólo en
período más reciente, y ya domina en torno al 20% de las aplicaciones industriales con
robots. Los principales componentes de los robots de soldadura al arco son: el
manipulador o la unidad mecánica y el controlador, que actúa como "cerebro" del robot. El
manipulador es lo que hace que el robot se mueva, y el diseño de estos sistemas puede
catalogarse en varias clases, tales como el SCARA y el robot de coordenadas cartesianas,
que usan diversos sistemas de coordenadas para dirigir los brazos de la máquina.
La tecnología del procesamiento de imagen ha sido desarrollada desde el final de los años
1990 para analizar datos eléctricos en tiempo real, tomados de la soldadura robotizada
automática, de este modo se facilita la optimización del soldeo[14].
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1.5.
Conclusiones del capítulo I:
1. El problema fundamental de la soldabilidad del aluminio lo constituye la dificultad para
remover la capa de óxido de relativo alto punto de fusión (2030 ºC), que se forma en la
superficie de este material. Además, las aleaciones de aluminio pueden presentar los
siguientes problemas de soldabilidad:
a. La precipitación de compuestos de aleación desde la solución sólida.
b. Aparición de poros por causa de hidrógeno contenido en los materiales a soldar
(alambre y material base).
c. Distorsiones y pretensionamiento debido a su elevado (α=23,810 -6 K-1) coeficiente
de dilatación lineal.
d. La aparición de grietas en caliente debido a la modificación de los contenidos de
hierro y silicio.
2. Los procesos GTAW y GMAW son los más empleados para la soldadura de este
material; de ellos, el de mayor calidad es el GTAW, mientras que el GMAW es más
productivo.
3. El proceso por transferencia de metal en frío (CMAT) también se usa para la soldadura
de las aleaciones de aluminio, al aportar una cantidad de calor inferior a la de los
procesos GTAW y GMAW, con una mayor productividad y calidad de la soldadura.
4. Las ventajas de robotizar las aplicaciones de soldeo son varias, entre las cuales están:

El aumento de la productividad.

Una menor cantidad de errores al soldar.

Una mejor calidad.
5. Como principal desventajas de la robótica aplicada a la soldadura se aprecia el alto
costo de automatizar el proceso de soldadura.
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Capítulo 2: Proceso robotizado de soldadura de transferencia de metal en frío
2.1. Variables esenciales en el proceso robotizado de soldadura CMAT para
aleaciones de aluminios AlMgSi y AlMg:
La literatura [15] publica algunas de las variables del proceso CMAT, que afectan la
penetración de la soldadura, la geometría del cordón y la calidad del depósito de
soldadura en toda su extensión; estas son:
1. Corriente de Soldadura (o 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
10. Tiempos entre arcos
El conocimiento y el control de estas variables son esenciales para la producción de
soldaduras resistentes 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; sin
embargo, pueden mencionarse los siguientes:
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1. Corriente de soldadura
2. Polaridad
3. Voltaje de arco (Longitud de arco)
4. Velocidad de avance
5. Extensión del electrodo
6. Orientación del electrodo
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 razón de fusión, en una relación no
lineal. Cuando la velocidad de alimentación del electrodo varía, el amperaje de soldadura
variará en forma similar si se está utilizando una fuente de potencia de voltaje constante.
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 razón 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. 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 razón de deposición
• Un aumento en el tamaño del cordón de soldadura.
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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 razones 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
razonamiento del alambre para hacerlo termoiónico (lo cual incrementa el costo del metal
de aporte). En ambos casos, las razones de deposición se diminuyen, eliminando la única
ventaja real de esta polaridad. No obstante, debido a la alta razón 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 aún 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.
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Si el arco fuese demasiado largo, este 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 (Figura 2.1) 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.
Fig. 2.1 Longitud de arco.
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
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y por el requerimiento normal de que en el procedimiento de soldadura se especifique el
voltaje del arco, este 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 (Tabla 2.1). 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.
Tabla 2.1: Voltaje de arco típicos para proceso GMAW de diversos metales
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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 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 aumenta y luego disminuye cuando se incrementa la velocidad de avance.
Si 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 (longitud) 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 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 razón 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 censada 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.
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La extensión del electrodo deseable está generalmente entre ¼” a ½” (de 6 a 12 mm) para
la transferencia por corto circuito y de ½” a 1" (de 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 2.2 (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.
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Fig. 2.2 Orientación del electrodo.
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 delante 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, el electrodo deberá colocarse a unos 45°
respecto al miembro vertical (ángulo de trabajo).
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2.2. Influencia de las variables esenciales del proceso CMAT, sobre la
soldabilidad de las aleaciones AlMgSi y AlMg, su automatización y su
productividad.
Transferencia Metálica [16].
La física del arco voltaico y cómo se procesa la transferencia del metal fundido del
electrodo hacia la pieza es bastante compleja; por esta razón, sólo se da una idea general
de como ocurre.
Existen dos formas en las que el metal se transfiere hacia la región fundida:
1. Con Corto Circuito.
2. Sin Corto Circuito:
En la Transferencia con Corto Circuito las gotas de metal fundido en la punta del electrodo
crecen hasta entrar en contacto con el metal fundido (Corto Circuito eléctrico), momento
cuando ocurre la transferencia (Figura 2.3).
Fig. 2.3 Transferencia con corto circuito.
Este tipo de transferencia ocurre con altura pequeña del arco (Voltaje bajo) y bajas
corrientes eléctricas. Sólo se debe usar este tipo de transferencia cuando se suelda en
posiciones fuera de la plana y para soldar planchas delgadas.
En el caso de la transferencia sin Corto Circuito pueden existir dos casos:
1. Transferencia Globular:
2. Transferencia “Spray”
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Transferencia Globular: El metal es transferido en gotas grandes que caen lentamente
(Figura 2.5).
Transferencia “Spray”: El metal cae en finísimas gotas con alta velocidad (Figura 2.4).
Siempre se debe preferir la transferencia tipo “Spray”, pues este tipo da un arco estable,
una soldadura uniforme y mayor velocidad de fusión del electrodo; solo se puede lograr
este tipo de transferencia metálica con gas argón o con una mezcla de gases, que
contenga este mismo gas. Además, debe usarse corriente continua, polaridad inversa
(electrodo positivo), corrientes elevadas (encima de 200 amperios para soldar aceros).
Fig. 2.4 Transferencia Spray.
Con electrodo conectado al polo negativo o con otros gases diferentes al argón, no es
posible lograr Transferencia “Spray” y se prefiere trabajar con Corto Circuito. Existe
también el proceso de MIG pulsado, donde la transferencia metálica es diferente; se
denominará Transferencia Pulsada. Se diseñó para trabajar por debajo de la intensidad de
corriente de umbral; la corriente pulsa y cada pulso impele una gota de soldadura. Hay
controladores sinérgicos que permiten ajustar muy finamente los parámetros de los pulsos,
de acuerdo a la composición química del metal de base, al diámetro del electrodo y a la
velocidad de alimentación del alambre.
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Fig. 2.5 Transferencia pulsada.
Variables del proceso
Las Variables de soldadura son los factores que pueden ser ajustados para controlar una
soldadura. Para obtener los mejores resultados en el proceso, es necesario conocer el
efecto de cada variable sobre las diversas características o propiedades del proceso de
soldadura. Ciertas variables que pueden ser continuamente reguladas o fácilmente
medidas constituyen controles mejores que aquellas que no pueden ser medidas o solo
pueden ser modificadas indirectamente.
Para iniciar el proceso de soldadura, es necesario definir previamente algunas de estas
variables, a las que se denominarán preseleccionadas. Estas son: diámetro del alambreelectrodo, composición química del mismo, tipo de gas y su caudal. Los criterios que
permiten una adecuada selección de estas variables son: tipo de material a ser soldado,
su espesor, posición de soldadura, régimen de transferencia metálica deseada y
propiedades mecánicas necesarias.
Las variables primarias son las que controlan el proceso después que las variables
preseleccionadas fueron seleccionadas: controlan la forma del cordón, la estabilidad del
arco, el régimen de soldadura (velocidad de aporte y cantidad de metal adicionado) y la
calidad de soldadura. Estas variables son: tensión de arco, corriente de soldadura y la
velocidad de avance [16].
Las variables secundarias, que pueden ser también modificadas de manera continua, son
a veces difíciles de medir con precisión, especialmente en soldadura automática. No
afectan directamente a la forma del cordón, pero actúan sobre una variable primaria, que a
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su vez influye en el cordón. Estas variables son: altura de la boquilla (relacionado con la
longitud del electrodo y distancia de la tobera de gas a la pieza), ángulo de la boquilla y
velocidad de alimentación del alambre. La altura es normalmente la distancia entre
boquilla y la pieza a soldar; puede ser controlada por el operador o robot. El ángulo de la
boquilla es la posición de la pistola en relación con la junta de soldadura; está definido por
dos ángulos: el ángulo longitudinal y el ángulo transversal; el ángulo longitudinal es
denominado positivo cuando la pistola es arrastrada y negativo, cuando es empujada.
Fig. 2.6 Angulo de la boquilla.
Efecto de las variables de soldadura
Cada variable controla, de manera más o menos sensible, varias características del
cordón, de manera que cada una de éstas influye en las otras.
Penetración
Es la distancia debajo de la superficie de la pieza soldada hasta donde se extiende la zona
de fusión (Figura 2.7); ella depende principalmente del tipo de chaflán y las condiciones de
soldadura.
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Fig. 2.7 Penetración de la soldadura.
Las experiencias muestran que la penetración depende de la tensión de arco, la velocidad
de avance y, principalmente, de la corriente. Las curvas experimentales reflejan que la
penetración varía alrededor de un valor óptimo con la velocidad y la tensión; sin embargo,
con la corriente la variación es lineal. Las funciones principales de la tensión (voltaje) son
estabilizar del arco y proporcionar un cordón liso, sin salpicados; además, la tensión es
dependiente del gas usado para la soldadura.
El control de la penetración por la tensión de arco no es, por tanto, muy eficaz, ni de las
variables secundarias (altura y velocidad del alambre), las cuales también afectan a la
penetración, porque su influencia es pequeña, comparado con la influencia de la corriente.
La altura de la boquilla también influye en la penetración; aumentando la altura, aumenta
también el calentamiento de la zona de fusión, así la fuente de energía no necesita
alimentar tanta corriente para fundir el alambre en un régimen de alimentación específico,
debido a la característica autorreguladora de la fuente de tensión constante. Esto resulta
en una disminución de la penetración, de manera que cuando la altura disminuya, la
penetración aumenta y viceversa.
Otra variable secundaria que influye en la penetración es el ángulo de inclinación de la
boquilla, obteniéndose penetración máxima con un ángulo positivo de aproximadamente
25º.
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Refuerzo y ancho del cordón
Después de la penetración, el refuerzo y el ancho del cordón son las características
principales del cordón. Se puede constatar que la corriente de la soldadura y la velocidad
de avance tienen un mismo efecto sobre ambas dimensiones; así por ejemplo, a
velocidades bajas, la altura y ancho del cordón aumentan y, al elevar la corriente, ambas
dimensiones también aumentan.
La tensión del arco no influye significativamente en el ancho del cordón; influye
notablemente en el refuerzo (forma cóncava o convexa del mismo), teniéndose soldaduras
planas (con tensiones altas) y abultadas (con tensiones bajas), pero siempre en el rango
de tener un arco estable.
La variable secundaria ángulo de la boquilla, puede también afectar el tamaño del cordón:
Un ángulo positivo tiende a dar un cordón alto y estrecho; a medida que el ángulo
disminuye, el ancho aumenta.
Las variables preseleccionadas pueden también afectar el perfil del cordón, sobre todo el
tipo de alambre y el gas de protección. En la soldadura de acero dulce, estas tienen poco
efecto, pero pueden ejercer gran influencia en la soldadura de materiales como el acero
inoxidable o aluminio. El CO2 puro proporciona un cordón más abultado, estrecho y
penetrado que una mezcla de este con argón.
En resumen, la velocidad de avance y la corriente son las Variables Primarias de control
del tamaño del cordón (ancho), la tensión del arco controla su perfil o refuerzo (Figura 6).
Defectos del cordón
También es importante que se controle las variables del proceso de soldadura para evitar
defectos como porosidades. La causa más probable de estos defectos es una
contaminación de la atmósfera de soldadura debido a un mal regulado del caudal de gas;
especialmente, por caudal demasiado bajo. Un caudal de gas de protección demasiado
alto provoca turbulencia y, también, una protección inadecuada. Otras causas posibles de
porosidades son: altura excesiva de la boquilla, tipo de alambre inadecuado, humedad del
gas de protección, presencia en el metal base de materiales como aceites, pinturas, etc.
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La falta de fusión proviene normalmente de una técnica incorrecta en el movimiento de la
boquilla, especialmente si la pieza a soldar es demasiado grande; el metal fundido puede
escurrir sobre el metal no soldado, provocando una falta de fusión. Es importante que el
metal fundido no penetre en la junta de soldadura antes del arco. Defectos en el cráter y
fisuras aparecen especialmente, cuando se mueve la pistola antes que se haya
solidificado el metal fundido.
El exceso de penetración (perforación del metal base), es un defecto resultante de un
excesivo aporte de calor ("heat imput") en la soldadura. Ello se corrige reduciendo la
velocidad del alambre para tener menos corriente o aumentando la velocidad de avance.
La falta de penetración se presenta principalmente por la baja temperatura en la zona de
fusión. Este defecto se corrige aumentando la velocidad del alambre para obtener una
corriente más elevada y controlando la altura de la boquilla.
Los filamentos atrapados son pequeños pedazos de alambre-electrodo que caen en el
cordón de soldadura, debido a la entrada del alambre dentro el baño de fusión; estos
quedan presos dentro de cordón. Este defecto se evita reduciendo a la velocidad de
avance, soldando con movimientos oscilantes y es necesario aumentar la altura de la
boquilla o reducir la velocidad del alambre (corriente de soldar).
Alambre de aluminio para soldar:
Existen alambres de aluminio para soldar en los mismos diámetros y en carretes con los
mismos pesos que los del alambre de acero. En general, la aleación que forma el metal
base determina la elección del metal de aportación, de forma que ambos metales se
correspondan aproximadamente en características y composición. La utilización de un
metal de aportación inadecuado puede originar la fisuración de la soldadura, diferencias
en la coloración, malas propiedades mecánicas, escasa resistencia a la corrosión o incluso
corrosión galvánica.
Las aleaciones de aluminio de alta resistencia de la serie 2000 (20S a 29S) con cobre, y
las aleaciones de la serie 7000 (70S a 79S) con cinc, obtienen su resistencia por
tratamientos térmicos y por maduración. El calor de soldeo reduce esta alta resistencia
debido a un efecto de recocido, por lo que en general no resulta conveniente un
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tratamiento térmico posterior a la soldadura. Por estas razones, las aleaciones de aluminio
citadas no se suelen soldar por arco.
Los alambres de aluminio más comunes para soldadura se muestran en la Tabla 2.1.
Existen alambres de otras aleaciones que proceden de un número limitado de fabricantes.
El alambre 1100 se utiliza para soldar altas aleaciones de aluminio, tales como la 1100 y la
3003. El alambre 4043 es un alambre para usos múltiples y se puede emplear para unir la
mayor parte de las aleaciones de aluminio correspondientes a las series 1000, 2000, 3000
y 6000, pero tiene el inconveniente de no mejorar la resistencia del metal base. Las
aleaciones 5154 y 5356 dan resistencias más altas y se suelen elegir para construcciones
soldadas de aluminio, tales como camiones y semirremolques.
Tabla 2.1. Propiedades mecánicas de algunos alambres empleados en la soldadura del
aluminio
Número de
aleación
Aleación
Resistencia a la rotura de una
soldadura a tope
lib/pulg2
kp/mm2
1100 (2S)
99% de aluminio
13 000
9,1
4043 (33S)
4,5-6% de silicio
30 000
2,1
5154 (54S)
3,1-3,9% de magnesio
33 000
2,3
5356 (59S)
4,5-5,5% de magnesio
30 000
2,7
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Variables esenciales que coinciden en la norma AWS y en el código ASME, para los
procesos de soldadura GMAW y GTAW.
Norma AWS. Structural Welding Code-Steel
Filler Metal
GMAW
GTAW
Change to an electrode or fulx-electrode
classification nor covereded in
AWS
A5.18 or
A5.28
AWS
A5.18 or
A5.28
GMAW
GTAW
X
X
GMAW
GTAW
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
Shielding Gas
Achange in shielding gas from a single gas to
any other single gas or mixture of gas or in
the specified nominal percentage composition
of a gas mixture or to no gas
General
A change in position not qualified by
Table 4.1
A change in diameter or thickness or both
not qualified by Table 4.2
A change in base metal or combination of
base metals nor listed on the PQR or qualified
by Table 4.8
Vertical welding for any pass from uphill
to downhill or vice versa
A change in groove type (e.g single-V
to double-V) except qualification of any CJP
groove weld qualifies for any groove detail
conforming with the requirements of 3.12
or 3.13
A change in the type of groove to a square
groove and vice versa
A change exceeding the tolerances of 3.12,
3.13,3.13.4,5.22,4.1, or 5.22,4.2 involving
a) A decrease in the groove angle
b) A decrease in the root opening
c) An increase in the root face
The omission but not inclusion of backing
or backgouging
Addition or deletion of PWHT
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Código ASME sección IX. Welding variables
QW-409 Electrical
GMAW
GTAW
Heat input
X
X
Plusing I
X
X
I y E range
X
X
QW-430 Technique
GMAW
GTAW
Orifice, cup, or nozzie size
X
X
Method clearing
X
X
Method back rouge
X
X
Oscillation
X
X
Multi to single passiside
X
X
Single to multi electrodes
X
X
Electrode
X
X
Manual or automatic
X
X
peening
X
X
characteristics
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2.3.
Conclusiones del capítulo II
1. Las variables esenciales en el proceso de soldadura CMAT pudieran ser:
a) Corriente de Soldadura (Velocidad de Alimentación del Electrodo)
b) Polaridad
c) Voltaje de Arco (Longitud de Arco)
d) Velocidad de Avance
e) Extensión del Electrodo
f) Orientación del Electrodo (Ángulo de Empuje o Ángulo de Arrastre)
g) Posición de la Junta a Soldar
h) Diámetro del Electrodo
i) Composición del Gas de Protección y Flujo de Salida del Gas
j) Tiempo entre arcos.
2. Las variables primarias controlan el proceso: la forma del cordón, la estabilidad del
arco, el régimen de soldadura (velocidad de aporte y cantidad de metal adicionado)
y la calidad de soldadura. Estas variables son: tensión de arco, corriente de
soldadura y la velocidad de avance.
3. Las variables secundarias no afectan directamente a la forma del cordón, pero
actúan sobre una variable primaria, que a su vez influye en el cordón. Estas
variables son: altura de la boquilla (relacionado con la longitud del electrodo y
distancia de la tobera de gas a la pieza), ángulo de la boquilla y velocidad de
alimentación del alambre.
4. Tanto las variables secundarias, como las primarias influyen en la soldadura en:
 Los aspectos geométricos del cordón (penetración, altura de refuerzo y
ancho).
 La razón de deposición.
 Los defectos que pudiera tener el cordón.
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Capítulo 3: Proceso combinado de soldadura con arco eléctrico pulsado, “spray”
y transferencia de metal en frío sobre aleaciones AlMgSi y AlMg.
3.1.
Consideraciones metalúrgicas.
Las aleaciones de aluminio son aleaciones obtenidas a partir de aluminio y otros
elementos (generalmente cobre, zinc, manganeso, magnesio o silicio). Forman parte de
las llamadas aleaciones ligeras, con una densidad mucho menor que los aceros, pero no
tan resistentes a la corrosión como el aluminio puro, que forma en su superficie una capa
de óxido de aluminio (alúmina). Las aleaciones de aluminio tienen como principal objetivo
mejorar la dureza y resistencia del aluminio, que es en estado puro un metal muy
blando[17].
La corrosión galvánica se produce rápidamente en las aleaciones de aluminio cuando
entran en contacto eléctrico con acero inoxidable u otras aleaciones con mayor
electronegatividad en un ambiente húmedo, por lo que si se usan conjuntamente deben
ser adecuadamente aisladas.
Desde el punto de vista físico, el aluminio puro posee una resistencia muy baja a la
tracción y una dureza escasa. En cambio, unido en aleación con otros elementos, el
aluminio adquiere características mecánicas muy superiores. La primera aleación
resistente de aluminio descubierta fue el duraluminio, y pueden ser centenares de
aleaciones diferentes. El duraluminio contiene pequeñas cantidades de cobre (Cu) (3-5%),
magnesio (Mg) (0,5 – 2%), manganeso (Mn) (0,25 – 1%) y Zinc (3,5 – 5%). Solo se usan
en la práctica materiales de aluminio que contienen otros elementos (con la excepción del
aluminio purísimo al 99,99%), ya que incluso en aleaciones con una pureza del 99% sus
propiedades vienen determinadas en gran parte por el contenido en hierro o silicio.
Las aleaciones de aluminio contienen, en una matriz de aluminio diversos elementos de
aleación. Los principales son el cobre (Cu), silicio (Si), magnesio (Mg), cinc (Zn) y
manganeso (Mn). En menores cantidades se usa también hierro (Fe), cromo (Cr) y titanio
(Ti); y para aleaciones especiales se suele usar también níquel (Ni), cobalto (Co), plata
(Ag), litio (Li), vanadio (V), circonio (Zr), estaño (Sn), plomo (Pb), cadmio (Cd), bismuto
(Bi), berilio (Be), boro (B), sodio (Na), estroncio (Sr) y escandio (Sc).
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Son también importantes los diversos tipos de aleaciones llamadas anticorodal, a base de
aluminio (Al) y pequeños aportes de magnesio (Mg) y silicio (Si). Pero que pueden
contener a veces manganeso (Mn), titanio (Ti) y Cromo (Cr). A estas aleaciones se las
conoce con el nombre de avional, duralinox, silumin, hidronalio, peraluman, etc. Como hay
distintas composiciones de aluminio en el mercado es importante considerar las
propiedades que estas presentan, pues, en la industria de la manufactura, unas son más
favorables que otras.
Los principales elementos de aleación del aluminio son los siguientes y se enumeran las
ventajas que proporcionan.

Cromo (Cr). Aumenta la resistencia mecánica, cuando está combinado con otros
elementos, tales como: Cu, Mn, Mg.

Cobre (Cu). Incrementa las propiedades mecánicas, pero reduce la resistencia a
la corrosión.

Hierro (Fe). Incrementa la resistencia mecánica.

Magnesio (Mg). Tiene alta resistencia, tras el conformado en frío.

Manganeso (Mn). Incrementa las propiedades mecánicas y reduce la calidad de
embutición.

Silicio (Si). Combinado con magnesio (Mg), tiene mayor resistencia mecánica.

Titanio (Ti). Aumenta la resistencia mecánica.

Zinc (Zn). Reduce la resistencia a la corrosión.

Escandio (Sc). Mejora la soldabilidad.
Las aleaciones de aluminio forjado se dividen en dos grandes grupos, las que no reciben
tratamiento térmico y las que reciben tratamiento térmico.
1. Aleaciones de aluminio forjado sin tratamiento térmico
Las aleaciones que no reciben tratamiento térmico solamente pueden ser trabajadas en
frío para aumentar su resistencia. Hay tres grupos principales de estas aleaciones según
la norma AISI-SAE que son los siguientes:

Aleaciones 1xxx: Son aleaciones de aluminio técnicamente puro, al 99,9%,
siendo sus principales impurezas el hierro y el silicio como elemento aleante. Se
les aporta un 0,1% de cobre para aumentar su resistencia. Tienen una
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resistencia aproximada de 90 MPa. Se utilizan principalmente para trabajos de
laminados en frío.

Aleaciones 3xxx: El elemento aleante principal de este grupo de aleaciones es el
manganeso (Mn) que está presente en un 1,2% y tiene como objetivo reforzar al
aluminio. Tienen una resistencia aproximada de 16 ksi (110 MPa) en
condiciones de recocido. Se utilizan en componentes que exijan buena
mecanibilidad.

Aleaciones 5xxx: En este grupo de aleaciones es el magnesio es el principal
componente aleante su aporte varía del 2 al 5 %. Esta aleación se utiliza cuando
para conseguir reforzamiento en solución sólida. Tiene una resistencia
aproximada de 28 ksi (193 MPa) en condiciones de recocido.
2. Aleaciones de aluminio forjado con tratamiento térmico
Algunas aleaciones pueden reforzarse mediante tratamiento térmico en un proceso de
precipitación. El nivel de tratamiento térmico de una aleación se representa mediante la
letra T seguida de un número por ejemplo T5. Hay tres grupos principales de este tipo de
aleaciones.

Aleaciones 2xxx: El principal aleante de este grupo de aleaciones es el cobre
(Cu), aunque también contienen magnesio Mg. Estas aleaciones con un
tratamiento T6 tiene una resistencia a la tracción aproximada de 64 ksi (442
MPa) y se utiliza en la fabricación de estructuras de aviones.

Aleaciones 6xxx: Los principales elementos de aleación de este grupo son
magnesio y silicio. Con unas condiciones de tratamiento térmico T6 alcanza una
resistencia a la tracción de 42 ksi (290 MPa) y es utilizada para perfiles y
estructuras en general.

Aleaciones 7xxx: Los principales elementos de aleación de este grupo de
aleaciones son cinc, magnesio y cobre. Con un tratamiento T6 tiene una
resistencia a la tracción aproximada de 73 ksi (504 MPa) y se utiliza para
fabricar estructuras de aviones.
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3.2.
Consideraciones operativas.
Para la soldadura actual del aluminio se emplea una fuente de corriente TPS 3200 / 4000 /
5000 CMT (Fuente de potencia MSG completamente digitalizada, controlada por
microprocesador y con regulación digital (320/400/500 A) con paquete de funciones
integrado para el proceso CMT) con un mando a distancia RCU 5000i, consistente en una
unidad de mando a distancia, con pantalla de texto completo, vigilancia de los datos de
soldadura con función Q-Master, sencilla guía del usuario, estructura sistemática del
menú, administración de usuarios. Como equipo auxiliar se emplea un aparato refrigerador
FK 4000 R, robusto y fiable, que garantiza la refrigeración óptima de la antorcha en su
versión refrigerada por agua. La interfaz de robot, diseñada comúnmente para robots
comerciales, se encarga de la activación, tanto digital, como mediante un bus de campo.
El alimentador puede ser del tipo de avance de hilo VR 7000 CMT, con regulación digital
para todos los recipientes de alambre habituales. La fuente de potencia comúnmente
empleada es MSG. Igualmente se emplea una antorcha de robot compacta con
servomotor AC de regulación digital, sin engranaje y muy dinámica, para garantizar un
transporte de hilo exacto y una presión de apriete constante. El “buffer” se emplea para
desacoplar los dos accionamientos de hilo entre sí y para proporcionar capacidades de
memoria adicionales para el hilo. Para el montaje, preferiblemente en el dispositivo de
balance o alternativamente sobre el tercer eje del robot. En ocasiones se emplea fuentes
corriente del tipo “TransPuls Synergic 2700 CMT”, que constituyen fuente de potencia
MSG completamente digitalizada, controlada por microprocesador y con regulación digital
(270 A) con avance de hilo integrado y paquete de funciones integrado para el proceso
manual CMT. Las antorchas del modelo “PullMig CMT” son de alto rendimiento,
compactas y refrigeradas por agua para aplicaciones CMT manuales. El servomotor AC
con regulación digital, muy dinámica, en combinación con el buffer, que se encuentra en el
paquete de mangueras, permite unos rápidos movimientos reversibles del hilo de
soldadura.
La corriente debe ser aproximadamente de 45 amperios por cada milímetro de espesor.
La velocidad de alimentación del alambre se debe encontrar entre 1 y 25 m/min.
El voltaje puede regularse a voluntad desde la fuente de soldadura.
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Las velocidades de depositación del metal fluctúan entre 4,5 y 25 kg/h cuyo límite superior
en la práctica es de 18 kg/h.
La conjugación de estos parámetros no se ha reportado, por lo novedoso del proceso, lo
cual hace que su selección, por ahora, sea un caso de estudio diferente para cada
aplicación específica.
3.3.
Consideraciones económicas.
El proceso, que en suma resulta ser más frío, hace que ciertas operaciones ya no sean
necesarias. La ausencia de salpicaduras, por ejemplo, significa no tener que realizar
retoques, incluso utilizando gas protector CO2 al 100 % para la soldadura de acero. Poder
soldar chapas finas en cordón a tope significa poder renunciar al “backing”. Una alta
capacidad de puenteado de ranuras significa un proceso automatizado controlado. Gracias
a la capacidad de multiproceso de la fuente de soldadura, podrá realizar soldaduras
MIG/MAG estándar y por arco voltaico pulsado, además de CMAT. A todo ello hay que
añadir los ahorros, gracias al suministro de gas, sin pérdida hacia la antorcha, la
desconexión automática del circuito de refrigeración, la baja potencia de marcha sin carga,
el alto rendimiento, el principio de sistema modular y, por tanto, flexible, el servicio sencillo,
las actualizaciones mediante ordenador portátil, etc. Todas las características aplicables a
los sistemas MIG/MAG digitales, también funcionan perfectamente en este proceso.
El costo de estos equipos de soldar está entre los 1000 y 9000 dólares, un precio elevado
si se compara con los precios de las máquinas convencionales de soldar GTAW y GMAW,
que están entre los 500 y 1000 dólares. Por ello, antes de hacer una inversión de este tipo
se deben tomar algunas consideraciones tales como:
1. Cantidad de piezas a ser soldadas.
2. Calidad de la soldadura requerida.
3. Tiempo que demorara la producción.
4. Ahorros que se tendrán con una u otra máquina.
5. Precisión y fiabilidad.
Se prefiere contar con una máquina de soldar CMAT, ya que a largo plazo es más rentable
que los demás procesos de soldadura.
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3.4.
Conclusiones del capítulo III.
1. Las aleaciones de aluminio de las series 5XXX poseen como principal elemento de
aleación el magnesio, en aportes que varían entre el 2% y el 5%, con una
resistencia aproximada de 28 ksi (193 MPa), mientras que la serie 6XXX como
principales elementos de aleación tiene al magnesio y al silicio, alcanza una
resistencia a la tracción de 42 ksi (290 MPa) y es utilizada para la elaboración de
perfiles y estructuras en general.
2. Durante la soldadura con proceso de soldadura CMAT la corriente debe ser,
aproximadamente, de 45 Amperes por cada milímetro de espesor, con una
velocidad de alimentación del alambre entre 1 y 25 m/min, un voltaje regulable a
voluntad desde la fuente de soldadura, fluctuando las velocidades de deposición del
metal entre 4,5 y 25 kg/h, cuyo límite superior en la práctica es de 18 kg/h.
3. El costo de los equipos de soldar está entre los 1000 y 9000 dólares, un precio
elevado si se compara con los precios de las máquinas convencionales de soldar
GTAW y GMAW que están entre los 500 y 1000 dólares; sin embargo, el proceso
ahorra tiempo en operaciones, tales como los retoques posteriores, el uso de
respaldos, lo que unido a una alta capacidad de punteado de ranuras con un uso
mínimo de energía, hace del proceso una alternativa viable económicamente.
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Conclusiones Generales
1. El problema fundamental de la soldabilidad del aluminio lo constituye la dificultad
para remover la capa de óxido de relativo alto punto de fusión (2030 ºC), que se
forma en la superficie de este material. Además, las aleaciones de aluminio pueden
presentar los siguientes problemas de soldabilidad:
a. La precipitación de compuestos de aleación desde la solución sólida.
b. Aparición de poros por causa de hidrógeno contenido en los materiales a
soldar (alambre y material base).
c. Distorsiones y pretensionamiento debido a su elevado (α=23,810-6 K-1)
coeficiente de dilatación lineal.
d. La aparición de grietas en caliente debido a la modificación de los contenidos
de hierro y silicio.
2. Pueden ser consideradas variables esenciales en el proceso de soldadura CMAT
las siguientes:
 Corriente de Soldadura (Velocidad de Alimentación del Electrodo)
 Polaridad
 Voltaje de Arco (Longitud de Arco)
 Velocidad de Soldadura
 Extensión del Electrodo
 Orientación del Electrodo (Ángulo de Empuje o Ángulo de Arrastre)
 Posición de la Junta a Soldar
 Diámetro del Electrodo
 Composición del Gas de Protección y Flujo de Salida del Gas
 Tiempo entre arcos
3. Como variables esenciales, que potencialmente pueden influir sobre la disminución
de la película de óxidos, se encuentran: la influencia del gas de protección, el
tiempo entre arcos y la velocidad de soldadura.
4. Dentro de las ventajas de robotizar el proceso CMAT se encuentran el aumento de
la productividad y de la calidad de las uniones soldadas, así como la disminución de
los espesores a soldar, hasta el orden de los 0,5 mm.
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5. El costo de los equipos de soldar está entre los 1000 y 9000 dólares, un precio
elevado si se compara con los precios de las máquinas convencionales de soldar
GTAW y GMAW que están entre los 500 y 1000 dólares; sin embargo, el proceso
ahorra tiempo en operaciones, tales como los retoques posteriores, el uso de
respaldos, lo que unido a una alta capacidad de punteado de ranuras con un uso
mínimo de energía, hace del proceso una alternativa viable económicamente.
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Recomendaciones
1. Desarrollar un plan experimental donde se evalúe la influencia del gas de
protección, el tiempo entre arcos y la velocidad de soldadura sobre la soldabilidad
de las series de aluminio naval 5XXX y 6XXX.
Página 49 de 50
Referencias
1.
Aranda, J., M. Armada, P. González, J.M. de la Cruz., Automatización para las
industrias marítimas un Estudio de la situación de España. . Red Temática Automar.
Comité Español de Automática 2005.
2.
Technical Service. Guia para Soldar Aluminio. Lincoln Electric.
3.
Technical Service. Soldadura con gases de protección para aluminio. Messer
Iberica de Gases.
4.
AWS, Welding Handbook. Novena Edición. Vol. 2 9ed. Vol. 2.
5.
García, A., Robótica Industrial y Soldadura. 2010: CIS-UCLV-FIM.
6.
Technical Service. Nuevos procesos de soldadura. Fronius International, 2004.
7.
AWS, ed. Welding Metallurgy. Volume 1.
8.
Realidades del sector naval flota pesquera. 2007: Secretaria de Marina Armada de
México.
9.
Estudio de la implantación de una unidad productiva dedicada a la fabricación de
conjuntos soldados de aluminio.
10.
Kurt, G., Manual de Fórmulas Técnicas. 18va Edición ed. 1979: ALFAOMEGA.
11.
Anónimo, Welding Materials Handbook. 1991, Alexandria, Virginia: Naval Facilities
Engineering Command. Naval Construction Force.
12.
Mónica Zalazar Laboratorio de metalografía y soldadura Depto de Mecánica
aplicada UNIVERSIDAD NACIONAL DEL COMAHUE Buenos Aires 1400 -(8300)
NEUQUEN 0299-4490300 - Interno 261 zalazar@uncoma.edu.ar.
13.
Facultad de ing. mecanica, Proceso de soldadura GMAW.
14.
Scientia et Technica Año XIV, No 38, Junio de 2008. Universidad Tecnológica de
Pereira. ISSN 0122-1701.
15.
Escrito por Ing. Andrés Rengino Martes, 25 de Agosto de 2009 14:27
16.
Iván Aguirre, Catedrático Universidad del Valle – Cochabamba, Dr. en Ingeniería
Mecánica.
Página 50 de 50
17.
es.wikipedia.org/wiki/Aleaciones_de_aluminio, Aleaciones de aluminio, De
Wikipedia, la enciclopedia libre.
Página 51 de 50