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5.4 Soldadura por arco con núcleo de fundente (FCAW) Fundamentos del proceso La soldadura por arco con núcleo de fundente (Flux Cored Arc Welding FCAW) es un proceso de soldadura por arco que aprovecha un arco entre un electrodo continuo de metal de aporte y el charco de soldadura. Este proceso se emplea con protección de fundente contenido dentro del electrodo tubular, con o sin un escudo adicional de gas de procedencia externa, y sin aplicación de presión. El electrodo con núcleo de fundente es un electrodo tubular de metal de aporte compuesto que consiste en una funda metálica y un núcleo con diversos materiales pulverizados. Durante la soldadura, se produce un manto de escoria abundante sobre la superficie de la franja de soldadura. El proceso FCAW tiene dos variaciones principales que difieren en su método de protección del arco y del charco de soldadura contra la contaminación por gases atmosféricos (oxígeno y nitrógeno). Una de ellas, FCAW con autoprotección, protege el metal fundido mediante la descomposición y vaporización del núcleo fundente en el calor del arco. El otro tipo, la FCAW con escudo de gas, utiliza un flujo de gas protector además de la acción del núcleo fundente. Características Los beneficios se obtienen al combinarse tres características generales: 1.

La productividad de la soldadura de alambre continuo.

2.

Las cualidades metalúrgicas que puede derivarse de un fundente.

3.

Una escoria que sustenta y moldea el cordón de soldadura.

El proceso FCAW combina características de soldadura por arco de metal (SMAW), la soldadura por arco de metal y gas (GMAW) y la soldadura por arco sumergido (SAW). En las figuras No. 42 y 43 se muestran los elementos del proceso FCAW, así como las características que distinguen las dos variaciones principales. El método con escudo de gas Figura No. 42, el gas protector (por lo regular dióxido de carbono o una mezcla de argón y dióxido de carbono o una mezcla de argón y nitrógeno).

Figura No. 42 Soldadura por arco con núcleo de fundente con gas. En el método con autoprotección que se muestra en la figura No. 43, la protección se obtiene a partir de ingredientes vaporizados del fundente que desplazan el aire y por la escoria que cubre las gotas del metal derretido y el charco de soldadura durante la operación.

Figura No. 43 Soldadura por arco con núcleo de fundente y autoprotección.

Aplicaciones principales El proceso se emplea para soldar aceros al carbono y de baja aleación, aceros inoxidables y hierros colados. También sirve para soldar por puntos uniones traslapadas en láminas y placas, así como para revestimientos y deposición de superficies duras. El tipo de FCAW que se use dependerá del tipo de electrodos de que se disponga, los requisitos de propiedades mecánicas de las uniones soldadas y los diseños de las uniones. Las ventajas consisten en tasas de deposición elevadas, factores de operación altos y mayores eficiencias de deposición (no se desechan “colillas” de electrodo). Equipo Equipo semiautomático Como se muestra en la figura No. 44, el equipo básico para la soldadura por arco con núcleo de fundente auto protegida y con escudo de gas es similar. La principal diferencia radica en el suministro y regulación del gas por el arco en la variante con escudo de gas. La fuente de potencia recomendada es la de CC de voltaje constante, similar a las que se usan para soldadura por arco de metal y gas. La mayor parte de las aplicaciones semiautomáticas usa menos de 500 A.

Figura No. 44 Equipo típico para soldadura por arco con núcleo de fundente semiautomática.

Equipo automático Para este tipo de operación se recomienda una fuente de potencia de CC de voltaje constante diseñada para un ciclo de trabajo del 100%. El tamaño de la fuente de potencia está determinado por la corriente que requiere el trabajo por realizar. Equipo para protección con gas Al igual que los electrodos de GMAW y los de FCAW con escudo de gas requieren un gas protector además del fundente interno. Esto implica un suministro de gas, un regulador de presión, un dispositivo para medir el flujo y las mangueras y conectores necesarios. Los reguladores y medidores de flujo sirven para controlar la presión y tasas de flujo. Materiales Gases protectores ·

Dióxido de carbono

El dióxido de carbono (CO2) es el gas protector más utilizado para soldadura por arco con núcleo de fundente, dos ventajas de este gas son su bajo costo y la penetración profunda que permite lograr. ·

Mezclas de gases

La mezcla de uso más común en FCAW con escudo de gas consiste en 75% de argón y 25% de dióxido de carbono. La mezcla AR-CO2 se usa principalmente para soldar fuera de posición. ·

Metales base soldados

La mayor parte de los aceros que se pueden soldar con los procesos SMAW, GMAW o SAW se sueldan fácilmente empleando el proceso FCAW. ·

Electrodos

El electrodo por lo regular consiste en una funda de acero de bajo carbono o de aleación que rodea un núcleo de materiales fundentes y de aleación. La composición del núcleo de fundente varía de acuerdo con la clasificación del electrodo y con el fabricante. Las funciones primarias de los ingredientes del núcleo de fundente son las siguientes: 1. Conferir al metal de soldadura ciertas propiedades mecánicas, metalúrgicas y de resistencia a la corrosión mediante un ajuste de la composición química. 2. Promover la integridad del metal de soldadura protegiendo el metal fundido del oxígeno y el nitrógeno del aire. 3.

Extraer impurezas del metal fundido mediante reacciones con el fundente.

4. Producir una cubierta de escoria que proteja el metal del aire durante la solidificación y que controle la forma y el aspecto del cordón de soldadura en las diferentes posiciones para las que es

apropiado. 5. Estabilizar el arco proporcionándole un camino eléctrico uniforme, para así reducir las salpicaduras y facilitar la deposición de cordones lisos, uniformes y del tamaño correcto. Clasificación de los electrodos ·

Electrodos de acero al carbón

La mayor parte de los electrodos de acero al carbón para FCAW se clasifica de acuerdo con los requisitos de la última edición de ANSI/AWS A 5.20, Especificación para electrodos de acero al carbono destinados a soldadura por arco con núcleo de fundente. El sistema de identificación sigue el patrón general de clasificación de electrodos y se ilustra en la figura No. 45 puede explicarse considerando una designación típica, E70T-1.

Figura No. 45 Sistema de identificación para electrodos de acero para FCAW. En la tabla No. 16 explica el significado del último dígito de las designaciones para FCAW. Tabla No. 16 Requerimientos de protección y polaridad para electrodos de FCAW de acero.

·

Electrodos de acero de baja aleación

Los electrodos están diseñados para producir metales de soldadura depositados con composición química y propiedades mecánicas similares a las que se obtienen con electrodos de SMAW de acero de baja aleación. ·

Electrodos para recubrimiento

Estos electrodos ofrecen muchas de las ventajas de electrodos empleados para unir, pero no hay tanta estandarización de la composición química ni de las características de rendimiento del metal de soldadura. ·

Electrodos de acero inoxidable

El sistema de clasificación de ANSI/SAW A 5.22, Especificaciones para electrodos de acero al cromo y al cromo-níquel con núcleo de fundente, resistentes a la corrosión prescribe requisitos para los electrodos de acero al cromo y al cromo-níquel con núcleo de fundente resistentes a la corrosión. Ventajas de FCAW 1.

Depósito de metal de soldadura de alta calidad.

2.

Excelente aspecto de la soldadura lisa y uniforme.

3.

Excelente perfil de las soldaduras de filete horizontales.

4.

Es posible soldar muchos aceros adentro de un intervalo de espesores amplio.

5.

Factor operativo elevado – fácil de mecanizar.

6.

Tasa de deposición alta-densidad de corriente elevada.

7.

Eficiencia de depósito del electrodo relativamente alta.

8.

Diseños de unión económicos en cuanto a su ingeniería.

9.

Arco visible – fácil de usar.

10. No requiere tanta limpieza previa como GMAW. 11. Produce menor distorsión que SMAW. 12. Tasa de deposición hasta 4 veces mayor que con SMAW. 13. Empleo de electrodos con de autoprotección hace innecesario el equipo para manipular fundente o gas, y tolera mejor las condiciones de movimiento brusco del aire que prevalezca en la construcción en exteriores. Limitaciones de FCAW 1.

El proceso de FCAW actual está limitado a la soldadura de metales ferrosos y aleaciones con base

de níquel. 2.

El proceso produce una cubierta de escoria que es preciso eliminar.

3. El alambre de electrodo para FCAW cuesta más por unidad de peso que el alambre de electrodo sólido, excepto en el caso de algunos aceros de alta calidad. 4. El equipo es más costoso y complejo que el que se requiere para SMAW; no obstante, el número en la productividad casi siempre compensa esto. 5. El alimentador de alambre y la fuente de potencia deben estar relativamente cerca del punto de soldadura. 6. En la versión con escudo de gas, el escudo externo puede sufrir efectos adversos por el viento y las corrientes de aire. Esto no es un problema con los electrodos auto protegidos, excepto cuando hay vientos fuertes, porque el escudo se genera en el extremo del electrodo, que es exactamente donde se requiere. 7.

El equipo es más complejo que el de SMAW, por lo que requiere mayor mantenimiento.

8.

Se genera mayor cantidad de humos y vapores (en comparación con GMAW o SAW).

5.2 Soldadura por arco de metal y gas (GMAW) La soldadura por arco de metal y gas (Gas Metal Arc Welding (GMAW o MIG) es un proceso de soldadura por arco que emplea un arco entre un electrodo continuo de metal de aporte y el charco de soldadura. El proceso se realiza bajo un escudo de gas suministrado externamente y sin aplicación de presión. Usos y ventajas Las ventajas más importantes son: 1. El único proceso de electrodo consumible que puede servir para soldar todos los metales y aleaciones comerciales. 2.

GMAW no tiene restricción de tamaño de electrodo.

3.

Puede soldarse en todas las posiciones.

4. Se logran tasas de deposición bastante más alta que con la soldadura por arco de metal protegido. 5.

Las velocidades de soldadura son más altas que con soldadura por arco de metal protegido.

6.

Es posible depositar soldaduras largas sin parar.

7. Cuando se usa la transferencia por aspersión, es posible lograr mayor penetración que con la soldadura por arco de metal protegido, lo que puede permitir el uso de soldaduras de filete más pequeñas para obtener una resistencia mecánica equivalente. 8.

Casi no requiere limpieza después de la soldadura.

Limitaciones 1.

El equipo de soldadura es más complejo, costoso y menos portable que el de SMAW.

2.

GMAW es más difícil de usar en lugares de difícil acceso.

3. El arco de soldadura debe protegerse contra corrientes de aire que puedan dispersar el gas protector. 4.

Los niveles relativamente altos de calor radiado y la intensidad del arco más alta.

Fundamentos del proceso El proceso GMAW se basa en la alimentación automática de un electrodo continuo consumible que se protege mediante un gas de procedencia externa. Los únicos controles manuales que el soldador requiere para la operación semiautomática son los de velocidad y dirección de desplazamiento, así como también el posicionamiento de la pistola.

Los componentes básicos del equipo son la unidad de pistola soldadora y cables, la unidad de alimentación del electrodo, la fuente de potencia y la fuente de gas protector. Puede operar con gases reactivos como el CO2 así como gases inertes. Este proceso puede ser usado con la mayoría de los metales comerciales, incluyendo aceros al carbono, aleaciones, aceros inoxidables, aluminio, magnesio, cobre, hierro, titanio y zirconio. Es el proceso preferido para la soldadura de aluminio, magnesio, cobre y muchas de las aleaciones de metales reactivos. La mayoría de los hierros y aceros de baja aleación pueden ser satisfactoriamente unidos por este proceso de soldadura. La soldadura puede ser semiautomática, usando una pistola por la cual el electrodo es alimentado automáticamente, o usando equipo totalmente automático.

Figura No. 37 Soldadura por arco de metal y gas (GMAW). Principios básicos de operación En el proceso GMAW el calor del arco generado entre el electrodo consumible y la pieza a ser soldada es utilizado para fundir las superficies del metal base y el extremo del electrodo. El metal fundido del electrodo es transferido hacia la pieza a través del arco, donde se convierte en metal de soldadura depositado. La protección es obtenida por una cubierta de gas, que puede ser un gas inerte, gas activo o una mezcla de ambos. El gas de protección envuelve el área del arco para protegerlo de contaminantes de la atmósfera. La soldadura puede ser en forma semiautomática usando una pistola manualmente, en la que el electrodo es alimentado por una bobina, o una forma automática que incluye equipos automatizados o robots.

Figura No. 38 Equipo de soldadura por arco de metal y gas (GMAW). Mecanismos de transferencia del metal Los mecanismos básicos empleados para transferir metal del electrodo a la pieza de trabajo son: 1.

Transferencia por cortocircuito

2.

Transferencia globular

3.

Transferencia por aspersión

4.

Transferencia pulsada

El tipo de transferencia está determinada por varios factores. Entre los más importantes están los siguientes: 1.

Magnitud y tipo de la corriente de soldadura

2.

Diámetro del electrodo

3.

Composición del electrodo

4.

Extensión del electrodo

5.

Gas protector

Variables del proceso Las siguientes son algunas de las variables que afectan la penetración de la soldadura, la geometría y la calidad general de la soldadura:

1.

Corriente de soldadura (velocidad de alimentación del electrodo)

2.

Polaridad

3.

Voltaje del arco (longitud del arco)

4.

Velocidad de recorrido

5.

Extensión del electrodo

6.

Orientación del electrodo (ángulo de desplazamiento)

7.

Posición de la unión que se va a soldar

8.

Diámetro del electrodo

9.

Composición y tasa de flujo del gas protector

Estas variables no son del todo independientes, y cuando se modifica una casi siempre es necesario modificar una o más de las otras para obtener los resultados que se buscan. Se requiere considerable habilidad y experiencia para seleccionar los valores óptimos para cada aplicación. Esos valores óptimos son afectados por (1) el tipo de metal base, (2) la composición del electrodo, (3) la posición en que se suelda y (4) los requisitos de calidad. Equipo El equipo básico para cualquier instalación de GMAW consiste en lo siguiente: a)

Pistola (enfriada por aire o agua)

b)

Unidad de alimentación del electrodo

c)

Control de soldadura

d)

Fuente de potencia para soldadura

e)

Suministro regulado de gas protector

f)

Suministro de electrodo

g)

Cables y mangueras para interconexión

h) Sistema de recirculación de agua (para pistolas enfriadas en agua) Consumibles Los consumibles del proceso GMAW son los electrodos y los gases protectores. La composición

determina en gran medida las propiedades químicas y mecánicas del ensamble soldado. Los que siguen son factores que influyen en la selección del gas protector y del electrodo: 1.

Metal base

2.

Propiedades que debe tener el metal de soldadura

3.

Condición y limpieza del metal base

4.

Tipo de servicio o requerimiento de especificación aplicable

5.

Posición de soldadura

6.

Modalidad de transferencia de metal que se piensa usar.

Tipos de transferencia de metal en GMAW ·

Transferencia por cortocircuito

Este tipo de transferencia puede emplear una mezcla de gas protector compuesta por Argón y CO2 o bien 100% CO2. Como los rangos de amperaje son bajos este tipo de transferencia se usa para unir láminas o elementos delgados. Puede emplearse en todas las posiciones: plano, horizontal, vertical y sobre cabeza. ·

Transferencia globular

La transferencia globular ocurre a más altos rangos de amperaje que el cortocircuito, aquí el metal fundido de aporte forma una bola de aproximadamente dos veces el diámetro del electrodo que al tocar la superficie del metal fundido se funde y transfiere al chorro de metal, este tipo de transferencia no es comúnmente usado. ·

Transferencia por spray

La transferencia por spray ocurre todavía a más altos amperajes que el globular, con diámetros grandes de alambre y una mezcla de gas rica en argón, el proceso genera gran cantidad de calor y por ello se prefiere no emplearlo en láminas o elementos delgados, la transferencia por spray se limita a soldaduras de filete, ranuras de unión en posición plana y filetes en posición horizontal debido a lo fluido del chorro. ·

Transferencia por spray y arco pulsado

Este tipo de transferencia es una variación de la transferencia por spray, pero con arco “pulsado”, aquí la fuente de poder pulsa o varía el amperaje en un rango de corriente varios cientos de veces por segundo, a niveles de corriente altos se forma una pequeña gota de metal fundido que se transfiere a través del arco al charco. Este tipo de transferencia emplea bajos amperajes en comparación con el de spray convencional, lo cual

hace que prácticamente se emplee en cualquier posición y espesores de material.

Figura No. 39 A) Transferencia por cortocircuito B) Transferencia globular C) Transferencia por spray. Tipo de corriente y polaridad empleado en GMAW Este proceso generalmente emplea corriente directa y polaridad invertida (electrodo positivo) debido a que se obtiene un arco más estable, la transferencia de metal es más suave y con pocas salpicaduras. La polaridad directa (electrodo negativo) es raramente usada debido a que produce un arco no estable, la velocidad de depósito es más grande, pero se tiene poca penetración. Electrodos El electrodo o metal de aporte para la soldadura por arco de metal y gas está cubierto por diversas especificaciones de la AWS para metales de aporte. En general, para aplicaciones de unión, la composición del electrodo es similar a la del metal base. Clasificación de soldaduras Esta práctica describe el proceso para la certificación de electrodos de soldadura sólidos y tiene los siguientes requerimientos: ·

Requerimientos generales

·

Clasificación

·

Criterios de aceptación

·

Certificación

·

Pruebas de ensambles

·

Composición química del electrodo

·

Pruebas del material

·

Pruebas de radiografía

·

Pruebas de tensión

·

Pruebas de doblez

·

Pruebas de impacto

Clasificación de los electrodos según AWS

Tabla No. 13 Requerimientos de composición química para alambres o barra sólida.

Los electrodos que se usan para GMAW son diámetro muy pequeño. Son comunes los diámetros de 0.9 a 1.6 mm (0.035” a 0.062”), pero pueden usarse electrodos con diámetros tan pequeño como 0.5 mm

(0.020”) y tan grande como 3.2 mm (1/8”). Como los diámetros de electrodo son pequeños y las corrientes relativamente altas, las velocidades de alimentación del alambre en GMAW son altas, desde unos 40 hasta 340 mm/s (100 a 800 pulg/min) para la mayor parte de los metales. Gases protectores La función primaria del gas protector es impedir que la atmósfera entre en contacto con el metal de soldadura fundido. Además de proporcionar un entorno protector, el tipo de gas protector y la tasa de flujo tiene un efecto importante sobre lo siguiente: 1.

Características del arco

2.

Modalidad de transferencia del metal

3.

Penetración y perfil de la soldadura

4.

Velocidad de soldadura

5.

Tendencia al socavamiento

6.

Acción limpiadora

7.

Propiedades mecánicas del metal de soldadura

En la tabla No. 14 se muestran los principales gases que se usan con GMAW. En la tabla No. 15 se da una lista de los gases que se emplean para GMAW con transferencia con cortocircuito. Tabla No. 14 Gases protectores para transferencia por aspersión GMAW

Tabla No. 15 Gases protectores para transferencia en cortocircuito en GMAW

Mezclas de múltiple gases protectores Argón-Oxígeno-Dióxido de Carbono Las mezclas de argón con hasta 20% de dióxido de carbono y 3 a 5% de oxígeno son versátiles. Proveen una protección adecuada y características de arco deseables para soldar en las modalidades de aspersión, cortocircuito y pulsado. Argón-Helio-Dióxido de Carbono Las mezclas de argón, helio y dióxido de carbono se usan para soldar aceros al carbono, de baja

aleación e inoxidables en cortocircuito o con arco pulsado. Dióxido de Carbono El bióxido de carbono (CO2) es un gas reactivo ampliamente utilizado en su forma pura para soldadura por arco de metal y gas de aceros al carbono y de baja aleación. Es el único gas reactivo que puede usarse solo como escudo en el proceso GMAW. La mayor velocidad de soldadura, la penetración más profunda en la unión y el bajo costo son características generales que han promovido el uso del CO2 como gas protector.