1INTRODUCCIN A LA METALURGIADE LA SOLDADURA

L. A. de Vedia

H. G. Svoboda

Agosto de 2004

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21.- Introduccin

1.1.- El origen de la soldaduraEl origen de la soldadura como tecnologa para la unin de materiales metlicos se remonta

hasta la Edad de Bronce, donde se encuentran los primeros vestigios de procesos de soldadurautilizados para fines ornamentales. En la Edad de Hierro se han encontrado piezas de hierroforjado que habran sido unidas calentndolas y martillndolas juntas, desarrollndose as lasoldadura por forjado. En la Edad Media la soldadura en fase slida se utilizaba para reducir elmineral de hierro a hierro metlico sin necesidad de fundirlo (1,2,3).

Sin embargo el problema de unir chapa fue solucionado por la soldadura por fusin, en lacual una fuente de calor suficientemente intensa como para fundir los bordes de ambas chapas aunir es desplazada a lo largo de la junta. Fuentes de calor suficientemente intensas estuvierondisponibles a escala industrial recin al final del siglo XIX, cuando hicieron su aparicin lasoldadura oxi-gas, la soldadura por arco elctrico y la soldadura por resistencia (2).

La soldadura por arco elctrico con electrodo consumible, el ms importante de losprocesos de soldadura por fusin, es ms complejo que los otros por lo que su desarrollo seprodujo con mayor lentitud. Inicialmente se utilizaron electrodos de alambre desnudo pero elmetal de soldadura resultante contena alto nitrgeno que le confera fragilidad. Recubriendo elalambre con asbestos o papel se mejoraron las propiedades de los depsitos soldados (2).

La factibilidad de este proceso surge del descubrimiento de Sir Humphry Davy, en 1809(3), segn el cual la electricidad puede ser conducida a travs del aire entre dos electrodos decarbono (grafito) conformando lo que hoy conocemos como descarga gaseosa. Posteriormente en1885, Bernados y Olszewski (3) patentaron un proceso donde era posible reproducir estefenmeno entre un electrodo de carbono y una pieza metlica. Como consecuencia del calorgenerado se logra una fusin localizada que puede ser utilizada para unir piezas. Se encontrnecesario aportar metal adicional para llenar el hueco existente entre las dos chapas a unir atravs de una varilla hundida dentro de la pileta lquida (3).

En la figura 1 se puede ver una reproduccin de un antiguo grabado en madera de un tallerde soldadura elctrica de 1887.

En 1892, Slawianoff (3) pens que si la varilla de aporte fuera usada como ctodo en lugardel electrodo de carbono, sta se fundira por el calor generado en el ctodo y una mucha mayorproporcin del calor disipado en el arco elctrico entrara a la soldadura. Sin embargo lassoldaduras producidas por esta tcnica eran de muy baja calidad debido a la reaccin del metalfundido con la atmsfera del arco a alta temperatura (3). En este sentido parece haber sidofortuito el xito de la soldadura por arco con electrodo de carbono, ya que ste al establecerse elarco generaba una atmsfera de CO2 y CO que protega la pileta lquida del aire, rico en oxgenoy nitrgeno (3).

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3Figura 1.- Reproduccin de un antiguo grabado de un taller de soldadura en 1887 (3).

Esto llev a la idea de aplicar recubrimientos protectores al electrodo, siendo las primeraspatentes en 1907 adjudicadas al sueco O. Kjellberg (3). Posteriormente fue quien fund laempresa ESAB (3). Una tcnica inicial fue desarrollada en Bretaa utilizando una telaimpregnada con asbestos alrededor del alambre metlico proveyendo una mejor proteccincontra la contaminacin. En Estados Unidos, para la Primera Guerra Mundial no se contaba conasbestos, utilizndose como sustituto fibras de algodn impregnadas en silicato de sodiohmedo. Este revestimiento era capaz de estabilizar el arco, crear una atmsfera protectora deloxgeno y del nitrgeno del aire y una escoria, que son los principales requerimientos de unrevestimiento moderno (3). De hecho los electrodos celulsicos se siguen utilizando hasta laactualidad.

As la soldadura adquira una posicin de importancia central en la construccin deestructuras de ingeniera. Esta tendencia ha continuado y desde la invencin, en 1943, delproceso de soldadura con proteccin por gas inerte los procesos de soldadura se han desarrolladoy multiplicado a una gran velocidad, dando como resultado que la gran mayora de los materialesmetlicos utilizados actualmente en la industria puedan ser soldados por algunos de los procesosde soldadura existentes (2).

En la figura 2 se muestra un esquema de la evolucin histrica de los procesos desoldadura.

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4Figura 2.- Evolucin histrica de los distintos procesos de soldadura (3).

1.2.- Metodologa de InvestigacinEn cuanto a la metodologa de investigacin en soldadura, a partir de la dcada de los 70

la investigacin en soldadura comenz a realizarse de forma ms sistemtica, encarando temasfundamentales para la investigacin y el desarrollo de la soldadura en forma extensa a travs deprogramas de investigacin. Este nuevo enfoque en la forma de trabajo de los investigadores fuefundamentalmente liderado por los trabajos de Evans en relacin a las variables de proceso, W.Savage en solidificacin y otros, junto con aportes importantes realizados por las comisiones delInstituto Internacional de Soldadura (IIW) y por The Welding Institute (TWI).

2.- Proceso FCAW2.1.- El origen del procesoTrabajos de investigacin sobre electrodos revestidos manuales, realizados hacia fines de

los 40, mostraron que el gas producido en la desintegracin del revestimiento del electrodo eraprincipalmente CO2. Este descubrimiento llev rpidamente a la utilizacin de CO2 como gas deproteccin en el proceso Gas Metal Arc Welding (GMAW) cuando se lo utilizaba en aceros alcarbono. El proceso GMAW protegido con CO2 se volvi comercialmente disponible a mediadosde los 50. Aproximadamente para el mismo tiempo la proteccin con CO2 fue combinada con lautilizacin de un electrodo tubular que contena fundentes en su interior. Las caractersticasoperativas fueron mejoradas por la adicin de elementos en el relleno y la calidad de la soldadurase mejor por la eliminacin de la contaminacin atmosfrica. El proceso fue introducidopblicamente en la exposicin de la American Welding Society (AWS) en Buffalo, New York,en mayo de 1954. Los electrodos y el equipamiento fueron refinados y se introdujo con la formaesencial que hoy tiene en 1957 (4).

A partir de entonces, a travs de los sucesivos avances, se ha convertido en la alternativams apropiada para la realizacin de muchas uniones soldadas que anteriormente sematerializaban con alambre macizo (GMAW) o arco sumergido (SAW) debido a que ofrece unaserie de ventajas comparativas. Alta velocidad y eficiencia de soldadura, muy buena penetracin,disponibilidad de pequeos volmenes en diversas aleaciones y dimetros (tan pequeo como0,9 mm) y excelente operatividad en todas las posiciones son caractersticas comunes de loselectrodos actuales del proceso Flux Cored Arc Welding (FCAW) (5,6).

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52.2.- Descripcin del procesoLa soldadura por arco elctrico con alambres tubulares (FCAW) es un proceso de

soldadura que utiliza un arco entre un electrodo continuo metlico y la pileta de soldadura. Elproceso puede tener una proteccin proveniente de un fundente contenido en el interior delelectrodo tubular, con o sin proteccin adicional proveniente de una fuente externa de gas, y sinla aplicacin de presin (4).

Dentro de lo que es el proceso de soldadura por arco elctrico con proteccin gaseosa yalambre tubulares, se encuentran tres tipos principales de electrodos. En general se clasificansegn el tipo de relleno que lleven en su interior: elementos escorificantes cidos, elementosescorificantes bsicos y sin elementos escorificantes o metal-cored wires (MCW) (7,8).

En la dcada de los 80 se desarroll una nueva familia de electrodos tubulares del tipocido para aplicaciones que requieren bajos niveles de hidrgeno difusible en el metal desoldadura.

Desarrollos recientes en electrodos FCAW con proteccin gaseosa, especialmente enpequeos dimetros y para toda posicin, aumentaron la utilizacin de estos consumibles enaplicaciones que requieren bajos niveles de hidrgeno difusible y propiedades de impactomejoradas (7,9).

Sin embargo, a pesar de la exitosa aplicacin de los alambres tubulares con escoria (cidos,bsicos y cido-bsicos) todava se necesitaba una mejora en el proceso. Se requera lograr tantoaltas velocidades de deposicin como alta eficiencia de transferencia. La clave era obtener tantola alta productividad de los alambres tubulares con escoria manteniendo la alta eficiencia detransferencia de los alambres macizos, as se obtuvieron los alambres tubulares metal-cored(MCW) (6).

Cabe aclarar que respecto de los electrodos del tipo metal-cored la clasificacin no eshomognea en todos los casos. En muchas ocasiones se los clasifica, no como uno de loselectrodos FCAW sino que se los incluye en la clasificacin dentro los alambres macizosGMAW (4,5,10,11,12).

Varios grados de estos ltimos electrodos desarrollados se utilizan satisfactoriamente parala soldadura de aceros al carbono estndar, aceros al carbono con aceros de alto lmite defluencia (HY) y de alta resistencia con baja aleacin (HSLA), y a su vez, para soldar este tipo deaceros entre ellos (13).

En la figura 3 se puede ver un esquema del proceso FCAW con proteccin gaseosa.El gas de proteccin generalmente usado es CO2 o una mezcla Ar-CO2 formando un

envoltorio alrededor del arco y la pileta lquida que los protege de la contaminacin atmosfrica.Sin embargo, se puede generar oxgeno de la disociacin del dixido de carbono en monxido decarbono y oxgeno (7,14).

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6Figura 3.- Proceso FCAW con proteccin gaseosa (4).

El proceso es utilizado para soldar aceros al carbono y de baja aleacin, aceros inoxidablesy fundiciones de hierro. Tambin se lo usa para soldadura de punto (tipo spot) en juntassolapadas de chapas tanto como para plaqueado (cladding) y recargues duros superficiales. A suvez, ha encontrado amplia aplicacin en fabricacin en planta, en mantenimiento y en trabajo decampo. Es utilizado para producir soldaduras conforme al Cdigo ASME para recipientes apresin, como as tambin aplicaciones en plataformas offshore y construcciones civiles, bajo lasreglamentaciones del American Bureau of Shipping y ANSI/AWS D1.1 Structural Welding CodeSteel. Adems, recientemente ha encontrado gran aplicacin en la soldadura robotizada,fundamentalmente los electrodos del tipo metal-cored (4,7).

La mayor productividad comparada con el SMAW es el principal atractivo de los alambrestubulares para muchas aplicaciones. Esto en general se traduce en menores costos globales porkilogramo de metal depositado en juntas que permiten la soldadura continua y fcil acceso de latorcha y del equipo de FCAW. Algunas de las ventajas que posee este proceso son la mayorvelocidad de deposicin y eficiencia de transferencia. Las mayores desventajas, comparado conel proceso SMAW, son el mayor costo del equipamiento, la relativa complejidad de la puesta apunto y control del equipo y la restriccin en la distancia de operacin desde el alimentador dealambre. El proceso FCAW puede generar una cantidad importante de humos lo que requiere,excepto para el trabajo de campo, de un equipo de extraccin de humos adecuado. Comparadocon el proceso GMAW, tiene la necesidad de remover la escoria generada entre pasadas,introduciendo un costo adicional de mano de obra, especialmente en las pasadas de raz (4). Estono sucede en el caso de los alambres tipo metal-cored, dada su baja generacin de escoria.

2.3.- EquipamientoEn la figura 4 se puede observar un esquema del equipamiento bsico para la soldadura por

arco elctrico con proteccin gaseosa y alambres tubulares.

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7Figura 4.- Equipamiento para FCAW con proteccin gaseosa (4).

La fuente de poder recomendada es de corriente continua con caracterstica externa detensin constante, similar a la usada para GMAW. En la figura 5 se puede ver un esquema de lacaracterstica externa de la fuente de corriente continua de tensin constante.

Figura 5.- Caracterstica externa de fuente de corriente continua de tensin constante (15).

La mayora de las aplicaciones semiautomticas utiliza menos de 500 A. El control devoltaje debe ser capaz de ajustar en incrementos de 1 volt o menores. A su vez, cuenta con unalimentador de alambre, cuyo propsito es suministrar alambre en forma continua al arco desoldadura a una velocidad constante, previamente ajustada. La velocidad a la que se alimenta elalambre determina la corriente de soldadura que una fuente de poder de tensin constanteproveer. Si la velocidad de alimentacin del alambre es cambiada, la mquina automticamentese ajusta para mantener el voltaje de arco fijado previamente (4).

La torcha tpica utilizada en este proceso se puede observar en la figura 6.Las torchas proveen el contacto interno con el electrodo que conduce la corriente de

soldadura. La aplicacin de la corriente de soldadura y la alimentacin del alambre se controlan

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8con un gatillo ubicado en la torcha. Pueden ser refrigeradas por aire o agua. En general lasrefrigeradas por agua pueden soportar mayor corrientes de trabajo (4).

El hecho de que esta variante del proceso FCAW cuente con proteccin gaseosa implicala existencia de una fuente externa de gas, un regulador de presin, un caudalmetro y lasnecesarias mangueras y conectores.

Figura 6.- Torcha tpica utilizada en el proceso FCAW con proteccin gaseosa (4).

Dado que los reguladores pueden congelarse fcilmente y obstruir el paso del gas deproteccin al utilizar CO2, para evitar dicho problema debe disponerse de calefactores. Serequiere que el gas tenga la pureza para soldadura dado que pequeas cantidades de humedadpuede resultar en porosidad o absorcin de hidrgeno en el metal de soldadura. El punto de rocode los gases de proteccin debe ser menor que 40C (4).

2.4.- Consumibles2.4.1.- ElectrodosFCAW debe gran parte de su versatilidad a la amplia variedad de elementos que pueden ser

incluidos en el relleno de un alambre tubular. El electrodo usualmente consiste en un fleje deacero de bajo carbono o acero aleado que encierra un relleno de fundente y elementos dealeacin.

En cuanto a la tecnologa de fabricacin de los alambres tubulares existen bsicamente dostipos: alambres tubulares sin junta y con junta. En la figura 7 se pueden observar ejemplos deambos tipos de alambre tubulares.

Los alambres sin junta son cobreados, mientras que los que si la tienen no son cobreadossino que tienen una superficie oxidada (mate) o brillante dependiendo del fabricante.

La tecnologa utilizada para la fabricacin de los alambres sin junta se basa en un tubo quees llenado con los polvos que forman el relleno y luego es trafilado a travs de matrices que lollevan al dimetro final. Dado que no tiene junta este tipo de alambre permite el mismotratamiento electroltico de cobreado que los alambres macizos. Se caracterizan por tener unabaja relacin de llenado, lo que tiene una influencia negativa en la productividad de los alambres.La relacin de llenado es el peso del relleno expresado como el porcentaje del peso total delalambre (7).

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9Figura 7.- Alambres tubulares con y sin junta (7).

Por otro lado, la relativamente ancha pared del tubo hace que estos alambres sean msrgidos, lo que aumenta la alimentabilidad del alambre a travs de largos conductos de cable(7).

Diversas tecnologas existen para la fabricacin de los alambres tubulares con junta. Todasellas usan un fleje de acero que se conforma en forma de U. Luego el fleje conformado se llenacon una cantidad medida de relleno granular (materiales escorificantes y/o elementos dealeacin). Posteriormente el fleje se cierra obtenindose la forma circular y comprimiendo elmaterial del relleno. La seccin del tubo es posteriormente reducida hasta la dimensin final,comprimiendo an mas el relleno. Finalmente se lo enrolla en bobinas (4,7). En la figura 8 sepuede observar un esquema del proceso de fabricacin mencionado.

La diferencia entre los distintos procesos de fabricacin es la forma en la que se producela reduccin del dimetro. El mtodo ms comn es el trefilado, donde el alambre es pasado atravs de una serie de matrices utilizando jabones lubricantes. Estos lubricantes sonhidrogenados. Para evitar la porosidad y un alto contenido de hidrgeno en el metal de soldaduralos residuos de los lubricantes utilizados deben ser removidos.

Figura 8.- Esquema del proceso de fabricacin por trafilado del alambre tubular (15).

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Ya que hay una junta esto no puede ser realizado con detergentes lquidos, lo que explicapor qu los alambres trefilados reciben un tratamiento de horneado que produce la capa de xidosuperficial azulada caracterstica (7).

Una nueva y avanzada tecnologa es el laminado. En este caso la reduccin del dimetrodel alambre se produce alimentndolo a una serie de rodillos. El laminado es un camino con bajocontenido de lubricantes, logrando alambres limpios (brillantes) que no requieren un tratamientoposterior de horneado. Una tercera tecnologa combina etapas de trafilado y de laminado (7). Enla figura 9 se pueden observar esquemas de ambos procesos.

Figura 9.- Esquemas de los procesos de fabricacin de los alambres tubulares con junta (7).

Los alambres tubulares con junta pueden tener varias configuraciones, de las cuales elcerrado a tope y el cerrado a solape son las ms comnmente utilizadas (figura 2.7). Unadiferencia importante entre ambos es la relacin de llenado. Los alambres cerrados a tope tienenuna relacin de llenado de entre 18 y 24%, mientras que en los cerrados a solape oscila entre 30y 45%. Para el caso de los alambres sin junta la relacin de llenado est entre 12 y 14%. Altasrelaciones de llenado permiten mayores velocidades de deposicin y la cantidad de elementos dealeacin en el relleno es mayor. Actualmente, la mayor cantidad de alambres tubulares noaleados o de baja aleacin utilizada es de 1,2 mm de dimetro (7).

En cuanto al tipo de relleno que tienen los alambres tubulares, los electrodos que producenescoria cida son los ms comnmente utilizados, siendo el dixido de titanio (TiO2) el principalcomponente de su relleno, junto con SiO2 y MnO. Adems se agregan al relleno otrosformadores de escoria, estabilizadores de arco, desoxidantes y elementos de aleacin. Este tipode electrodos (E70T-1) produce un arco muy estable, bajas prdidas por salpicaduras, buenaapariencia de los cordones y una escoria fcilmente removible (14). Se los utilizafundamentalmente en posicin bajo mano y filetes horizontales (7).

Como resultado de su baja tensin superficial, muchas y relativamente pequeas gotas sondesprendidas desde el extremo del electrodo y pasan a travs del arco a la pileta de soldadura envuelo libre (similar a la transferencia spray), en todo el rango de corrientes (7,8). El metal desoldadura fluido tiene excelentes propiedades de mojabilidad, pero esa misma fluidez junto conla transferencia de vuelo libre es lo que hace virtualmente imposible obtener una soldadura debuena calidad en pasadas de raz sin un respaldo cermico (7).

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La ltima generacin de alambres tubulares con escoria cida (E71T-1, E81T1-Ni1),diseados para soldadura en toda posicin y bajos niveles de hidrgeno difusible en el metal desoldadura contiene microaleantes, usualmente boro y titanio y un sistema de escorias levementems bsicas que los alambres tubulares cidos (rutlicos) estndar. El alto porcentaje deelementos fcilmente ionizables produce un arco muy estable y una transferencia de finas gotas.El alto punto de fusin de la escoria permite la soldadura en toda posicin (7,8).

La combinacin del sistema de escoria y los microaleantes aumenta la resistencia alimpacto debido a una microestructura de fina ferrita acicular y menor cantidad de ferrita enborde de grano y ferrita poligonal. Adems los niveles de hidrgeno difusible tambin se venreducidos (7,14). Estas buenas propiedades mecnicas se obtienen para la condicin as-welded.Estos consumibles estn disponibles para soldadura de aceros con una resistencia a la traccin dehasta 650 MPa, satisfaciendo requerimientos de tenacidad en Charpy V hasta a 50C (7).

Los electrodos tubulares con relleno bsico contienen usualmente un sistema de escoria decarbonato de calcio (CaCO3) y fluorita de calcio (CaFl2). Estos componentes no son fcilmenteionizables por lo que la transferencia es globular y muchas veces irregular. El bajo punto defusin de la escoria hace que sea difcil su utilizacin para soldar en posicin (8). Adems,tambin se agregan varios tipos de estabilizadores de arco, desoxidantes y aleaciones al relleno.Estos electrodos generalmente producen una transferencia globular y producen ms salpicadurasque los cidos (rutlicos). Para su utilizacin en posiciones vertical o sobre-cabeza requieren unagran habilidad del soldador, por lo que en general se restringe su uso a posiciones bajo mano yhorizontal. Las propiedades al impacto son excelentes, los niveles de hidrgeno difusible bajos yel metal de soldadura tiene buena resistencia a la fisuracin tanto en condicin as-welded comocon relevado de tensiones (7,14). La principal limitacin de estos consumibles es su pobreoperatividad, sobre todo en soldadura en posicin, como el riesgo de penetracin insuficiente einclusiones de escoria (7).

A fines de los 80 se desarroll una nueva generacin de alambres tubulares bsicos(E71T5-G) con una mucho mejor operatividad en posicin, con mucho menor riesgo de defectosde fusin e inclusiones de escoria debido a que opera a mayores voltajes y corrientes con unatransferencia denominada semi-spray, un arco abierto con baja frecuencia de corto circuito(7).

Los electrodos con relleno metlico (metal-cored) tienen algunas caractersticas similares alos alambres tubulares con escoria tales como la forma constructiva y las tecnologas defabricacin y un comportamiento similar al de los alambres macizos. Los MCW contienenprincipalmente polvo de hierro, desoxidantes, denitrificantes y elementos de aleacin en elrelleno, con poco o ningn elemento formador de escoria (en general menos de 5%) y se hanvuelto una alternativa muy interesante para reemplazar a los alambres macizos. Esto se debe aque usualmente estn ms fcilmente disponibles y a que son ms econmicos en los gradosaleados. Cuando se los utiliza en el proceso GMAW los electrodos metal-cored pueden producirun arco ms estable y mejor geometra de cordn que los alambres macizos, produciendo slopequeas islas de productos de desoxidacin sobre el cordn (6,7,8,12,16). Buenos valores deimpacto en el metal de aporte puro se logra obtener hasta -40C con los modernos electrodos deltipo E71T-G.

En la tabla 1 se pueden observar las caractersticas de los cuatro tipos de alambrestubulares antes mencionados.

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Tabla 1.- Caractersticas de los cuatro tipos de alambres tubulares (8).

En los alambres metal-cored de ltima generacin se modific tanto la composicin delfleje como la de los componentes utilizados en el relleno. Menores niveles de carbono y menorescantidades de componentes con alta presin de vapor y/o fcilmente disociables (NaF, CaCO3)se utilizan en esos productos, siendo estos aspectos los responsables de bajar la velocidad degeneracin de humos y mejorar las caractersticas del arco (6,12). Estos alambres tienen un muybajo nivel de hidrgeno difusible y pueden soldar en toda posicin (8).

En cuanto a los materiales que se incorporan dentro del relleno, en la tabla 2 se puedeobservar los comnmente utilizados en el relleno de los electrodos para FCAW.

Elemento Presente como Propsito en la soldadura

Aluminio Polvo metlico Desoxidante, denitrificante

Calcio Mineral Genera proteccin, forma escoria

Carbono Elemento en ferroaleaciones Aumenta dureza y resistencia

Cromo Ferroaleacin o polvo metlico Mejora creep, dureza, resistencia y corrosin

Hierro Ferroaleacin y polvo de Fe Metal base o elemento de aleacin

Manganeso Ferroaleacin o polvo metlico Desoxidante, evita fisuracin, escoria, dureza

Molibdeno Ferroaleacin Aumenta dureza y resistencia

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Nquel Polvo metlico Aumenta dureza, tenacidad y corrosin

Potasio Mineral Estabiliza el arco, forma escoria

Silicio Ferroaleacin o mineral Desoxidante, forma escoria

Sodio Mineral Estabiliza el arco, forma escoria

Titanio Ferroaleacin o mineral Desoxidante, denitrificante, forma escoria

Zirconio xido o Polvo metlico Desoxidante, denitrificante, forma escoria

Vanadio xido o Polvo metlico Aumenta resistencia

Tabla 2.- Elementos comnmente utilizados en el relleno de alambres tubulares para FCAW (8).

2.4.2.- GasesLas normas europeas sobre gases de proteccin para soldadura (EN439) clasifican los

gases por sus potenciales de oxidacin. El potencial de oxidacin se calcula a partir de laecuacin Ec.2.1 (17).

P O CO EcO = +% % . .2 212 2 1Las normas norteamericanas sobre gases de proteccin (AWS A5.32) los clasifica segn

la composicin de las mezclas de gases (8).A medida que el potencial de un gas aumenta parte de algunos elementos de aleacin se

perdern a travs del arco en un proceso de oxidacin. C, Si y Mn son los ms sensibles alaumento del potencial de oxidacin de un gas o mezcla de gases. En este sentido, la resistenciadel metal de soldadura se ver afectada al variar el porcentaje de elementos de aleacin en elmismo (14).

El dixido de carbono es el gas de proteccin ms ampliamente utilizado para FCAW.Dos ventajas principales con las que cuenta son su bajo costo y su profunda penetracin. Aunquegeneralmente genera una transferencia metlica del tipo globular, algunas formulaciones defundentes producen transferencia tipo roco (spray) con CO2. Este gas es relativamente inactivo atemperatura ambiente, pero cuando es calentado a altas temperaturas por el arco se disocia paraformar monxido de carbono y oxgeno, segn la Ec.2.2.

2 2 2 22 2CO CO O Ec + . .Por lo tanto la atmsfera del arco contiene una considerable cantidad de oxgeno que

reacciona con los elementos en el metal fundido. Para contrarrestar el efecto oxidante del CO2 esque se incorporan materiales desoxidantes (4).

Adems el metal fundido reacciona con el CO2 produciendo xido de hierro y monxidode carbono en una reaccin reversible, segn la Ec.2.3.

Fe CO FeO CO Ec+ +2 2 3. .A altas temperaturas algo del monxido de carbono se disocia en carbono y oxgeno, segn

la Ec. 2.4.www.FreeLibros.org

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2 2 2 42CO C O Ec + . .El efecto del CO2 como gas de proteccin sobre el contenido de carbono del metal de

soldadura de aceros dulces y de baja aleacin puede ser diverso. En funcin de los contenidos decarbono originales del metal base y del electrodo, la atmsfera de CO2 puede comportarse comocarburante o decarburante (4,14). Si la concentracin de carbono en el metal de soldadura esmenor que aproximadamente 0,05% la pileta lquida tender a tomar carbono de la atmsferaprotectora de CO2. Por otro lado, si el contenido de carbono de la pileta lquida es mayor dealrededor de 0,10% entonces la misma podr perder carbono. La prdida de carbono es atribuiblea la formacin de CO debido a las caractersticas oxidantes del CO2 a altas temperaturas. Cuandoesta reaccin ocurre el CO puede quedar atrapado en el metal de soldadura como porosidad. Estatendencia es minimizada proveyendo al relleno del alambre tubular un adecuado nivel deelementos desoxidantes. El oxgeno reaccionar con los elementos desoxidantes ms que con elcarbono del acero. Esta reaccin resultar en la formacin de xidos slidos que tendern a flotarhacia la superficie donde formarn parte de la escoria (4).

Las mezclas de gases usadas en FCAW pueden combinar las ventajas individuales de dos oms gases. Cuanto mayor es el porcentaje de gas inerte en las mezclas con CO2 u oxgeno, mayorser la eficiencia de transferencia de desoxidantes contenidos en el relleno. El argn es capaz deproteger la pileta lquida en todo el rango de temperaturas que tiene lugar a lo largo del ciclotrmico en la soldadura. Su presencia en cantidades suficientes en una mezcla de gasesprotectora resulta en menor oxidacin que la que tiene lugar al utilizar 100% CO2 como gas deproteccin (4).

La mezcla ms comnmente utilizada en FCAW con proteccin gaseosa es 75%Ar-25%CO2. El metal de soldadura depositado con esta mezcla generalmente tiene mayores lmitede fluencia y resistencia a la traccin que los obtenidos con CO2. Cuando se suelda con estamezcla se obtiene una transferencia del tipo roco (spray) y es usada fundamentalmente para lasoldadura fuera de posicin. A su vez, provee una mayor operatividad y mejores caractersticasde arco que el CO2 (4). El uso de mezclas de gases protectoras con altos porcentajes de gas inerte en electrodosdiseados para ser utilizados con CO2 puede resultar en un excesivo aumento de Mn, Si y otroselementos desoxidantes en el metal de soldadura. Este mayor contenido de aleacin en el metalde soldadura cambiar sus propiedades mecnicas (4).

Mezclas de gases con alto contenido de Ar, tales como 95% Argn - 5% Oxgeno,generalmente no se utilizan en FCAW debido a que se pierde la capa de escoria superficial (4).

Otro factor que es afectado por el tipo de gas utilizado en la proteccin del arco elctrico esla estabilidad de arco. sta, expresa hasta qu punto el arco se mantiene sin modificarse entre elextremo del electrodo y la pieza. Cuando la estabilidad de arco disminuye el arco puede vagarpor la superficie de la pileta lquida, fluctuar en intensidad y/o cesar momentneamente. Laestabilidad de arco depende de una variedad de factores, de los cuales los dos ms importantesson las propiedades fsicas y qumicas del gas de proteccin utilizado. Las propiedades fsicas delos gases que afectan la columna de plasma son el potencial de ionizacin, la conductividadtrmica y el peso especfico. Las propiedades qumicas del gas influyen sobre la mojabilidad delarco. Estos factores determinarn la estabilidad del arco (14).

Una alta conductividad trmica de la columna de plasma constreir el arco, disminuyendosu tamao, mientras que una baja conductividad trmica lo expandir, transmitiendo igualcantidad de calor. Ejemplos de esto podran ser el helio y el dixido de carbono, los cuales tienenuna conductividad trmica relativamente alta a las temperaturas del arco. Como resultado de laconstriccin de la columna de plasma, un calentamiento localizado por condensacin dewww.FreeLibros.org

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electrones debajo de la punta del alambre fundido contribuir favorablemente a la transferenciaglobular (18). El argn tiene una menor conductividad trmica que el helio y el dixido decarbono a las temperaturas del arco. La columna de plasma con proteccin de argn se expandirdesde la punta fundida del alambre y se extender hacia arriba produciendo una mayor superficiepara el calentamiento por condensacin de electrones. Este proceso de calentamiento fundirrpidamente el alambre, produciendo una fina punta en el extremo del alambre. Simultneamenteen presencia de fuertes fuerzas de Lorentz, de origen electromagntico, la rpida fusinproducir un haz de finas gotas que impactan contra el metal base produciendo una profundapenetracin direccional en los alambres macizos (14). Adiciones progresivas de CO2 al argnpuro cambiar proporcionalmente el balance entre transferencia spray pura a modo globular. Apartir del 15% de CO2 en argn progresivamente la mezcla se va volviendo incapaz de produciruna transferencia tipo spray. Con 25% de CO2 en argn la mezcla no puede ser utilizada paraproducir transferencia spray ni spray pulsado. En general, es mejor estar fuera de la zona detransferencia globular, para obtener una transferencia estable (14). Los alambres tubulares tipometal-cored y los alambres macizos utilizados para soldar aceros al carbono con CO2 puroproducirn una transferencia globular inestable, por lo que esa combinacin no es demasiadoutilizada en la prctica (19).

Si se utiliza argn puro para realizar soldaduras por GMAW en aceros al carbono oaceros inoxidables el arco de soldadura se torna inestable. El metal depositado no mojarfcilmente la superficie del acero y muy posiblemente se producirn discontinuidades. Si seintroducen adiciones progresivas de CO2 u O2 al argn puro se producir una instantneaestabilizacin del arco con pequeas cantidades de especies oxidadas. El agregado de CO2tambin aumentar la emisin de humos de soldadura (14).

A su vez el O2 tiene un efecto beneficioso en la fluidez, el mojado y la penetracin delmetal depositado (20).

Cuando se realizan soldaduras por GMAW o con MCW en aceros al carbono lacomposicin ptima de la mezcla de gases de proteccin que provee una mxima flexibilidadpara la aplicacin del proceso y la reduccin en el nivel de humos corresponde a una mezclaternaria. Estas mezclas contienen argn como componente fundamental con cantidades variablesde CO2 y O2, produciendo una reduccin de la zona de transferencia globular, con menoresvoltajes para comenzar la transferencia tipo spray (14).

Por otro lado se tiene que el gas de proteccin puede afectar el nivel de hidrgenodifusible, que est asociado a problemas de fisuracin en fro en la soldadura de aceros alcarbono. El hidrgeno puede introducirse al metal de soldadura por diversas fuentes. Ensoldaduras semiautomticas estas fuentes de hidrgeno pueden ser el metal de aporte, el metalbase hmedo, el gas de proteccin y de la humedad atmosfrica, si no hay una buena proteccindel arco. La humedad en el gas de proteccin es medida por su punto de roco y muchas de lasmezclas de gases utilizadas en soldadura se entregan con menos de 10 ppm de humedad en elcilindro (14).

2.5.-Variables de proceso2.5.1.- Corriente de soldaduraLa corriente de soldadura es proporcional a la velocidad de alimentacin del alambre, para

un dimetro, una composicin y una longitud libre del electrodo dados.En la figura 10 se puede ver la relacin entre la velocidad de alimentacin del alambre y la

corriente de soldadura para un electrodo tpico de acero al carbono con proteccin gaseosa deCO2.

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Figura 10.- Velocidad de alimentacin del alambre vs. Corriente de soldadura, para varios dimetros, paraun E70T-1 (4).

Una fuente de poder de tensin constante del tamao adecuado se utiliza para fundir elalambre a una velocidad que mantiene constante la tensin de arco (longitud de arco)preajustada. Para una dada velocidad de alimentacin del alambre, la corriente de soldaduramedida vara con la longitud libre del electrodo. A medida que aumenta la longitud libre delelectrodo, la corriente de soldadura disminuye.

Al variar la corriente de soldadura, si las dems variables del proceso se mantienenconstantes, para un dimetro de electrodo dado, se tendrn los siguiente efectos:

- Al aumentar la corriente aumenta la velocidad de deposicin del electrodo.- Al aumentar la corriente aumenta la penetracin.- Excesiva corriente produce cordones de soldadura convexos con mal aspecto.- Corriente insuficiente produce transferencia de grandes gotas y excesivas salpicaduras.

2.5.2.- Tensin de arcoLa tensin de arco y la longitud de arco estn muy relacionadas. El voltaje indicado en el

panel de la fuente es la suma de las cadas de voltaje a lo largo del circuito de soldadura. Estoincluye la cada en el cable, en la longitud libre del electrodo, en el arco, en la pieza y en el cablede masa. Por lo que la tensin de arco ser proporcional a lo indicado en el panel siconsideramos constantes las cadas en los dems elementos del circuito (incluidas sustemperaturas).

La apariencia, la calidad y las propiedades de las soldaduras realizadas con FCAW puedenser afectadas por variaciones en la tensin de arco. Una tensin de arco demasiado alta (arcodemasiado largo) puede resultar en salpicaduras excesivas y en cordones anchos e irregulares.Con electrodos de acero al carbono esto puede provocar porosidad. Una tensin de arcodemasiado baja puede resultar en excesivas salpicaduras y cordones angostos y convexos conbaja penetracin (4).

2.5.3.- Longitud libre del electrodoLa longitud libre del electrodo es la porcin de electrodo sin fundir que se extiende desde el

arco hasta el tubo de contacto durante la soldadura (stick-out). En la figura 11 se puede ver unesquema donde se indica la longitud libre de electrodo.

Esta porcin de alambre se calienta por resistencia en forma proporcional a su longitudlibre, manteniendo las dems variables constantes. La temperatura del electrodo afecta la energawww.FreeLibros.org

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del arco, la velocidad de deposicin y la penetracin. Tambin puede afectar la calidad y laestabilidad del arco (4).

El efecto de la longitud libre del electrodo como un factor operativo en FCAW introduceuna nueva variable que debe ser tenida en cuenta en conjunto con las dems variables delproceso y con las condiciones de proteccin. Manteniendo otros parmetros constantes unalongitud libre de electrodo demasiado larga produce un arco inestable y excesivas salpicaduras.

Figura 11.- Esquema de la longitud libre de electrodo o stick-out (15).

Una longitud libre demasiado corta puede causar un arco demasiado largo para un voltajeparticularmente ajustado. A su vez puede producir un acumulamiento de salpicaduras en latobera de la torcha que puede interferir con el flujo de gas, perdiendo efectividad la proteccin.Muchos fabricantes recomiendan longitudes libres de electrodo de entre 19 y 38 mm (4).

2.5.4.- Velocidad de soldaduraLa velocidad de soldadura afecta la penetracin y el contorno. A bajas velocidades de

soldadura la penetracin es mayor que a altas velocidades. Bajas velocidades de soldadura a altascorrientes resultan en un sobrecalentamiento del metal de soldadura. Esto puede dar lugar a laposibilidad de que se produzcan atrapes de escoria o que se funda el metal base. Altasvelocidades de soldadura tienden a dar cordones irregulares y con mala apariencia.

2.5.5.- Caudal de gas de proteccinEsta variable afecta fundamentalmente la calidad de la soldadura. Un caudal de gas bajo

resulta en una pobre proteccin de la pileta fundida dando lugar a porosidad y oxidacin.Excesivo caudal de gas genera turbulencia y mezcla con el aire. El efecto sobre la calidad de lasoldadura ser el mismo que cuando falta caudal de gas, en ambos extremos aumentan lasimpurezas en el metal de soldadura. El caudal de gas adecuado ser funcin del tipo y dimetrode la tobera de la torcha, de la distancia de la tobera hasta la pieza y de los movimientos de aireen el ambiente donde se realiza la soldadura (4).

2.5.6.- Velocidad de deposicin y eficienciaLa velocidad de deposicin es el peso de material depositado por unidad de tiempo.

Depende de las variables de soldadura tales como dimetro del electrodo, composicin delelectrodo, longitud libre del electrodo y corriente de soldadura. En la figura 12 se puede ver lawww.FreeLibros.org

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relacin entre velocidad de deposicin y corriente de soldadura, para varios dimetros, para unelectrodo de acero al carbono tpico de FCAW.

Figura 12.- Velocidad de Deposicin vs. Corriente de soldadura, para varios dimetros, para un E70T-1(4).

La eficiencia de deposicin es la relacin entre el peso de metal depositado y el peso demetal consumido. En electrodos para FCAW los alambres tubulares con escoria, debido a laproduccin de escoria y humos, tienen una eficiencia que se encuentra entre 80 y 90%. Para elcaso de los metal-cored debido a que la generacin de escoria es prcticamente nula y la dehumos es significativamente menor la eficiencia asciende a entre 91 y 96% (4,6,12). En la figura13 se puede ver una comparativa de la eficiencia de deposicin de varios procesos de soldadura.

Valores extremos bajo distintas condiciones de proceso.

Figura 13.- Eficiencia de transferencia de varios procesos de soldadura (6).

Comparado con un alambre macizo del mismo dimetro, la parte conductora de la seccintransversal es mucho menor en un alambre tubular, resultando en una mayor densidad decorriente, a igual corriente de soldadura. Adems hay un mayor calentamiento resistivo (I2R).Ambos aspectos contribuyen a una mayor velocidad de fundido del alambre tubular. Laswww.FreeLibros.org

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mayores velocidades de alimentacin del alambre necesarias para acompaar la mayor velocidadde quemado compensa la diferencia de costo entre el alambre macizo y el tubular. Hayconcretamente un aumento en la velocidad de deposicin a favor del alambre tubular (7,12). Enla figura 14 se puede ver una comparativa de la velocidad de deposicin entre dos alambrestubulares rutlicos de 1,6 mm de dimetro y un alambre macizo.

Figura 14.- Relacin entre velocidad de deposicin y calor especfico para un alambre macizo y dosalambres tubulares con distintas relaciones de llenado (7).

La relacin de llenado marca tambin una diferencia en la velocidad de deposicin. Conuna mayor relacin de llenado la seccin conductora es menor, produciendo una mayorvelocidad de deposicin segn lo descrito anteriormente. Esta diferencia se da especialmente ensoldaduras en posicin con alambres de pequeos dimetros. A su vez, se ve como vara unparmetro que se define como el calor generado en el arco respecto de la velocidad dedeposicin. ste parmetro se vuelve menor a medida que aumenta la velocidad de deposicin.En otras palabras la pileta de soldadura producida con los alambres tubulares es ms pequea ypor lo tanto ms manejable por el soldador, a pesar de tener mayores velocidades de deposicin(7).

Los alambres tubulares del tipo metal-cored de ltima generacin tienen una velocidad dedeposicin de un 10 a un 30% mayor que los alambres slidos o los tubulares con escoria. Estosalambres tienen una eficiencia de transferencia de alrededor del 95%, produciendo bajo nivel desalpicaduras en la soldadura cuando se utilizan con mezclas ricas en Ar como gas de proteccin(6,12).

2.5.7.- ngulo del electrodoEl ngulo al cual el electrodo es mantenido durante la soldadura determina la direccin a la

que la fuerza del arco es aplicada hacia la pileta fundida. Cuando las variables de soldadura estnadecuadamente ajustadas, la fuerza del arco puede ser utilizada para vencer el efecto de lagravedad. Cuando se realizan soldaduras con preparacin de junta y de filete en posicin bajomano, la gravedad tiende a hacer que la pileta lquida avance delante de la soldadura. En estesentido, la fuerza del arco puede ser utilizada no slo para darle la forma deseada al cordn sinotambin para evitar atrapes de escoria en el metal de soldadura. Para esto el electrodo debe sersostenido a un ngulo respecto de la vertical con la punta del electrodo hacia la soldadura. stengulo se denomina ngulo de arrastre. En la figura 15 se puede ver un esquema de la posicindel electrodo y el ngulo de arrastre.www.FreeLibros.org

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El ngulo de arrastre depende del mtodo de FCAW, del espesor del metal base y de laposicin de soldadura. Para FCAW con proteccin gaseosa el ngulo de arrastre debe serpequeo, usualmente entre 2 y 15 y no ms de 25. Si el ngulo de arrastre es mayor laefectividad del gas de proteccin se pierde.

Cuando se suelda en vertical ascendente se puede utilizar un pequeo ngulo de avance delelectrodo, inverso al de arrastre (4).

Figura 15.- ngulo de arrastre (4).

2.6.- Calidad de la soldaduraLa calidad de las soldaduras que pueden producirse con el proceso FCAW depende del tipo

de electrodo que se utilice, el mtodo (con proteccin, sin proteccin, etc.), la condicin delmetal base, el diseo de la junta y las condiciones de soldadura. A cada uno de estos tpicos se ledebe prestar particular atencin para producir soldaduras sanas y con las mejores propiedadesmecnicas. Los procedimientos de soldadura para soldar fuera de posicin plana deben serevaluados cuidadosamente respecto de la calidad obtenida en la soldadura (4).

En general pueden producirse soldaduras sanas con FCAW en aceros al carbono y de bajaaleacin que se encuentran dentro de los requerimientos de diversos cdigos de construccionessoldadas.

Las propiedades al impacto del metal de soldadura de aceros de bajo carbono pueden serinfluidas por el mtodo de soldadura. Algunos electrodos autoprotegidos son altamentedesoxidados produciendo metales de soldadura con relativamente baja tenacidad. Unos pocoselectrodos de acero de bajo carbono estn diseados para tolerar una cierta cantidad de xido enel metal base. En general se espera alguna prdida de la calidad de la soldadura cuando sesueldan materiales sucios (4).

Por otro lado, la combinacin del gas de proteccin y la formulacin apropiada del rellenodel alambre tubular generalmente produce soldaduras sanas con buenas propiedades mecnicas.En general la composicin del electrodo debe ser similar a la del metal base (4).

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Una diferencia esencial entre la soldadura con alambre macizo por GMAW y con FCAWcon proteccin gaseosa es el tipo de transferencia. Los alambres macizos, que requieren mezclade Ar-CO2 como gas de proteccin, producen un arco pequeo y una transferencia metlica muydirigida. Las gotas de metal cruzan el arco a lo largo de la lnea central, una tras otra a una altafrecuencia, lo que puede ser observado en el caracterstico cono del arco. Debido a estatransferencia axial las gotas entran en la pileta lquida dentro de un rea de proyeccinrelativamente pequea, concentrando toda la energa de las gotas en esta pequea rea. Losalambres tubulares tienen un arco ms amplio. Las gotas se desprenden del fleje y toman unamucho mayor rea de proyeccin produciendo una distribucin de la energa mucho msuniforme (7). En la figura 16 se puede ver un esquema de la forma que adopta el cordn para losalambres macizos y tubulares.

Figura 16.- Esquema de la forma del cordn para alambre macizo (izq.) y tubular (der.) (7).

Esta diferencia en las caractersticas del arco de los alambres macizos y tubulares tiene unafuerte influencia en la calidad de la soldadura. Tpicamente la penetracin de los alambresmacizos adopta una forma irregular como se muestra en la figura. El menor desalineamiento dela torcha puede causar defectos de fusin como la falta de fusin lateral de la junta. Lapenetracin de los alambres tubulares tiene una forma menos profunda pero ms amplia,otorgndole una mucho mayor tolerancia en el caso del desalineamiento de la torcha, reduciendoel riesgo de que se produzcan defectos de fusin. Este efecto es todava ms marcado cuando seutiliza CO2 en lugar de la mezcla de Ar-CO2 como gas de proteccin, dado que el CO2 tiene unamayor conductividad trmica por lo que el calor del arco se extiende sobre un rea mayorpromoviendo una penetracin circular favorable (7).

Otras diferencias se pueden observar en la apariencia de la soldadura. Especialmente paraaltas corrientes la transferencia axial de los alambres macizos crea una pileta lquida turbulenta yondeada. Como resultado las soldaduras pueden no ser planas y mostrar aguas irregulares en lasuperficie del cordn. Los alambres tubulares, debido al tipo de transferencia generan un cordncon aguas suaves (7).

En cuanto a las salpicaduras los alambres macizos generan mayor salpicadura sobre todocuando se sueldan en transferencia globular o de corto circuito. Los alambres tubulares rutlicospueden estar virtualmente libres de salpicaduras en transferencia spray, especialmente cuando seutiliza la mezcla rica en Ar como gas de proteccin (7,12). Sin embargo se indica en la literaturaque el sistema de escoria en los alambres tubulares puede complicar los mecanismos detransferencia desde el arco y no observarse las distintas transiciones que se observan para losalambres macizos y los metal-cored (14).www.FreeLibros.org

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Los alambres metal-cored ofrecen ms libertad operativa cuando se evita la transferenciaglobular ajustando mayores tensiones de arco, logrando una transferencia tipo spray suave(7,12).

En la figura 17 se puede ver el tipo de transferencia en funcin de la corriente y la tensinpara alambres tipo metal-cored.

Figura 17.- Modos de transferencia para alambres tipo metal-cored (7).

La transferencia en corto circuito ocurre a relativamente bajos niveles de tensin y secaracteriza por una sucesin de rpidos apagados y encendidos del arco elctrico. Es til parasoldar materiales de pequeo espesor en todas las posiciones de soldadura. En la transferenciaglobular los parmetros son mayores que para la transferencia en corto circuito. El arco escontinuo pero la transferencia es errtica y a veces ineficiente, dando como resultado penetracinlimitada, apariencia del cordn irregular y excesivas salpicaduras. La soldadura bajo este tipo detransferencia es generalmente restringida a las posiciones bajo mano y horizontal. Por lo dichoanteriormente la transferencia globular generalmente se desea evitar (14).

En la transferencia tipo spray o roco los parmetros (tensin y corriente) son mayores quepara la transferencia globular. Sin embargo debido a los altos parmetros de soldadura la piletalquida es muy fluida por lo que su aplicacin con alambres macizos o metal-cored se encuentrarestringida a las posiciones bajo mano y horizontal, por no tener escoria que funcione comocontencin mecnica (14). En la figura 18 se puede ver un esquema de la forma del electrodo ylas salpicaduras para las transferencias spray y globular.

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Figura 18.- Esquema de forma del electrodo y salpicaduras para transferencia spray y globular (14).

En la transferencia pulsada, el arco de soldadura pulsa entre parmetros de base y de pico,previamente ajustados en la fuente de poder. En los parmetros de base el arco no se extingue yen los de pico la transferencia es del tipo spray. En este tipo de transferencia, debido al precisocontrol del calor aportado, se logra producir una soldadura de buena calidad en toda posicinincluso con alambres macizos y metal-cored. Los ltimos avances en la tecnologa de las fuentesde poder y en el control de las mismas han producido una serie de ventajas entre las que seencuentra una mayor productividad de la soldadura en los procesos automatizados (14).

La creciente disponibilidad de aceros para la construccin tratados termomecnicamente ode enfriamiento acelerado, con una templabilidad ampliamente reducida ofrece a la industria laoportunidad para disminuir o hasta evitar el costoso proceso de precalentamiento. Para esto, losconsumibles con muy bajo hidrgeno son un prerrequisito. En este sentido, el nivel de hidrgenoen el metal de soldadura de los alambres tubulares se ha vuelto un aspecto de renovado inters,especialmente para la fabricacin de alta calidad.

Para los alambres tubulares bsicos y para los metal-cored es esperable un nivel dehidrgeno difusible menor de 5ml/100g, dentro de todo el rango de parmetros utilizables. Engeneral tienen un contenido inicial de hidrgeno muy bajo y una relativamente baja sensibilidadde absorcin frente a los parmetros de soldadura. Ya que estos consumibles no contieneningredientes higroscpicos en su relleno, su reabsorcin de humedad durante el almacenamientoo exposicin en la estacin de trabajo es limitada (7,8).

Por otro lado, en los alambres tubulares del tipo rutlico, que son los ms utilizados, elnivel de hidrgeno en el metal de soldadura es fuertemente dependiente de la tecnologa defabricacin y de la formulacin de su relleno. En estos alambres, en general, para compensar laprdida de estabilidad de arco en los alambres trefilados, como consecuencia del proceso dehorneado necesario, se incluyen en el relleno poderosos estabilizadores de arco sintticos (21)que son higroscpicos, volviendo a los alambres sensibles a la reabsorcin de humedad. Sinembargo, en los alambres tubulares rutlicos fabricados por laminado, mtodo que requiere unbajo nivel de lubricacin, no se necesita la incorporacin de estabilizadores de arco debido a queno deben hornearse. Esto provee una ptima transferencia de corriente sin aumentar lahigroscopicidad del alambre (7).

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Figura 19.- Corriente y la longitud de arco vs. hidrgeno difusible para un E81T1-Ni1 (7).

En la figura 19 se puede ver el efecto de los parmetros de proceso (corriente y longitud dearco) en el nivel de hidrgeno difusible en el metal de soldadura, para las distintas tcnicas defabricacin de los alambres tubulares rutlicos.

Varios tipos de discontinuidades pueden resultar de malas prcticas o procedimientos.Aunque muchas de estas discontinuidades son inocuas respecto del deterioro de las propiedadesde la unin, afectan la apariencia de la soldadura y por consiguiente la reputacin de la soldadurapor FCAW. Estos problemas, as como sus causas y soluciones se pueden ver en la tabla 3.

Problema Posible causa Accin correctivaPorosidad Bajo caudal de gas Aumentar el caudal de gas

Alto caudal de gas Disminuir el caudal de gasViento excesivo Proteger la zona de soldadura

Gas contaminado Controlar la fuente de gasMetal base contaminado Limpiar las caras de la juntaAlambre contaminado Limpiar el alambreRelleno insuficiente Cambiar el electrodo

Tensin excesiva Disminuir la tensinLong. libre del electrodo excesiva Balancear la corrienteExcesiva velocidad de soldadura Ajustar velocidad

Falta de fusin o penetracin Manipulacin errnea Dirigir el electrodo a la razParmetros errneos Regular parmetros

Diseo de junta errneo Aumentar apertura de razFisuracin Restriccin de junta excesiva Precalentar, disminuir restric.

Electrodo errneo Revisar formulacin y rellenoDesoxidantes insuficientes Revisar formulacin y relleno

Alimentacin de alambre Desgaste del tubo de contacto Disminuir presin de rodillosFusin del tubo de contacto Reducir tensinConducto de alambre sucio Limpiar o cambiar conducto

Tabla 3.- Discontinuidades en FCAW, causas y soluciones (4).

2.7.- Seguridad

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La soldadura con FCAW puede ser realizada de forma tal de proveer tanto al soldadorcomo a quienes se encuentren en los alrededor de la zona de soldadura, la mxima seguridadrespecto de su integridad fsica.

FCAW genera humos a una velocidad por kilogramo de metal depositado similar a la deSMAW, pero debido a que la velocidad de deposicin es mucho mayor, la velocidad degeneracin de humos en gramos por minuto es mucho mayor que para SMAW.

En particular, los alambres tubulares tipo metal-cored producen un menor nivel de humos,ms an cuando se utilizan con mezclas ricas en Ar como gas de proteccin. El CO2 puro es elque produce mayor nivel de polucin por humos. El clculo de la cantidad de humos generadosse realiza en base a la cantidad de partculas capturadas en los filtros de ensayo, segn la normaAWS F1.2-92 (14).

En la figura 20 se puede ver una comparativa del nivel de humos generados por losdistintos procesos y consumibles.

Figura 20.- Generacin de humos en distintos procesos y consumibles (6).

En Norte Amrica, Europa y partes de Amrica del Sur y Asia la exposicin de lossoldadores es estrictamente controlada. La mejor solucin a cualquier situacin de exposicin esminimizar la cantidad de humos generados en el arco. En este sentido, la ltima generacin dealambres metal-cored produce entre un 20 y 50% menos de humos que los alambres tubularescon escoria comparables (12).

Es importante asegurarse que la concentracin de humos y vapores se encuentre por debajodel lmite permisible de exposicin (PEL), especificado en 5mg/m3 por la Administracin deSalud y Seguridad Ocupacional (OSHA) del Departamento de Trabajo de los Estados Unidos deAmrica.

Especial precaucin se debe tener en proteger al soldador de aspirar vapores de manganesocuando se sueldan productos tipo Hadfield. Asimismo cuando se sueldan aceros inoxidables oaleaciones con alto contenido de cromo debido a la generacin de vapores de cromo (4).

Se debe tener requerimientos de seguridad con los gases de proteccin cuando se suelda enespacios cerrados. Estos gases no son venenosos pero s asfixiantes y pueden desplazar eloxgeno. Cuando se suelda con gases con alto contenido de argn se generar sustancialradiacin ultravioleta, que puede reaccionar con el oxgeno en los alrededores del arco formandoozono (4,12).

Una utilizacin segura del proceso FCAW implica una cuidadosa evaluacin de estosfactores y la aplicacin de las medidas correctivas necesarias antes de la soldadura.www.FreeLibros.org

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2.8.- Costos y ProductividadEn la tabla 4 se puede ver un clculo comparativo de los costos y de la productividad de

la soldadura, para un alambre macizo ER70S-6 y un alambre tubular rutlico, ambos de 1,2 mmde dimetro. La soldadura evaluada es un filete en vertical ascendente.

Sin importar en qu lugar del mundo se ubique, el principal objetivo de cualquier usuariode un proceso de soldadura es lograr altos niveles de calidad y productividad con el menor costoposible. En los pases industrializados donde el costo de la mano de obra es una fraccinimportante del costo total, un proceso de soldadura que permita al soldador trabajar ms rpida yeficientemente ser el elegido para ser utilizado en fabricaciones soldadas. En los pases dondelos costos laborales son significativamente menores, el factor controlante del costo total es elcosto asociado con los consumibles. Por lo que consumibles con altas velocidades de deposiciny alta eficiencia pueden ser efectivamente utilizados para disminuir el costo total de fabricacin(12).

A pesar de no ser nuevos en el mercado de los consumibles, los alambres tubulares del tipometal-cored han sido recientemente rediseados para cubrir las necesidades de los usuarios.Estos nuevos productos tienen una velocidad de deposicin de un 10 a un 30% mayor que losalambres slidos o los tubulares con escoria. Adems, las soldaduras multicapa se puedenrealizar sin limpieza entre pasadas debido a su baja generacin de escoria. Estos alambres tienenuna eficiencia de transferencia de alrededor del 95%, produciendo bajo nivel de salpicaduras yhumos en la soldadura cuando se utilizan con mezclas ricas en Ar como gas de proteccin (12).De esta manera ciertos costos de limpieza (escoria y salpicaduras) y equipos de extraccin dehumos se ven disminuidos.

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Tabla 4.- Comparativa de costo y productividad de un alambre macizo y un tubular rutlico (7).

2.9.- Ventajas y desventajasLa soldadura por FCAW tiene muchas ventajas respecto a la soldadura con electrodo

revestido manual (SMAW), as como ciertas ventajas sobre los procesos de arco sumergido(SAW) y de soldadura semiautomtica con alambre macizo y proteccin gaseosa (GMAW). Enmuchas aplicaciones el proceso FCAW provee soldaduras de alta calidad a un menor costo conmenos esfuerzo del soldador que el proceso SMAW. Es ms amigable que el proceso GMAW yms flexible y adaptable que el SAW. Estas ventajas se pueden enumerar de la siguiente forma(4,6,7,12):

- Metal de soldadura depositado de alta calidad.- Excelente apariencia (soldaduras suaves y uniformes).- Excelente contorno de los filetes horizontales.www.FreeLibros.org

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- Pueden soldarse diversos aceros en un amplio rango de espesores.- Alto factor de operatividad (fcilmente automatizable).- Alta velocidad de deposicin (alta densidad de corriente).- Relativamente alta eficiencia de deposicin del electrodo.- Ingeniera de diseo de juntas econmica.- Arco visible (fcil de utilizar).- Menor limpieza previa que GMAW.- Menor distorsin que SMAW.- Velocidad de deposicin hasta 4 veces mayor que SMAW.- Alta tolerancia de contaminantes que puedan producir fisuracin.- Resistencia a la fisuracin bajo cordn.- Los electrodos del tipo metal-cored producen muy baja escoria con buenas propiedades.- Ms econmico que GMAW, sobre todo para soldadura en posicin a pesar del mayorcosto del alambre.- Menor riesgo de defectos de fusin que GMAW.- Menos salpicaduras y sensibilidad a la porosidad que GMAW.- Los electrodos del tipo autoprotegidos eliminan la necesidad del gas de proteccin o del

fundente externo.- Mayor productividad respecto del proceso GMAW en muchas aplicaciones.

Algunas de las desventajas de este proceso se pueden enumerar de la siguiente forma(4,6,12):

- Est limitado actualmente a la soldadura de aleaciones ferrosas y base nquel.- El alambre tubular tiene un mayor costo por peso que el alambre macizo, excepto para

ciertos aceros de alta aleacin.- El equipamiento es ms costoso y complejo que el utilizado en SMAW, aunque el

aumento de la productividad generalmente compensa su costo.- La fuente de poder y el alimentador de alambre deben estar relativamente cerca del

lugar de soldadura.- Para la versin con proteccin gaseosa, la proteccin externa puede ser afectada

adversamente por vientos.- Debido a la mayor complejidad del equipamiento se requiere mayor mantenimiento que

en SMAW.- Se generan ms humos que en GMAW y SAW.

3.- Transferencia de calor y flujo de fluido en soldadura por fusinDurante la soldadura por fusin la interaccin entre el metal base y la fuente de calor lleva

a rpidos calentamiento y fusin, y a una vigorosa circulacin de metal fundido. En la piletalquida la circulacin de este metal fundido est controlado por agitacin, por el gradiente detensin superficial y por fuerzas electromagnticas. La transferencia de calor y el flujo de fluidoresultantes afectan la distribucin de temperaturas en el metal base, la forma y tamao de lapileta lquida, el proceso de solidificacin, la velocidad de enfriamiento y las cinticas detransformacin en estado slido en el metal de soldadura y la en zona afectada por el calor(HAZ) (22,23).

La variacin de la temperatura con el tiempo, a menudo denominada como ciclo trmico,afecta a la evolucin microestructural, las tensiones residuales y la magnitud de las distorsionesen la soldadura. Sobre la superficie de la pileta lquida la distribucin de temperaturas influye enla prdida de elementos de aleacin por evaporacin y en la absorcin y desorcin de hidrgenoy de otros gases como oxgeno y nitrgeno, por lo que la composicin, la microestructura ywww.FreeLibros.org

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propiedades resultantes del metal de soldadura se ven afectadas (23). En el interior del metal desoldadura las inclusiones no metlicas crecen o se disuelven dependiendo de la temperaturalocal.

La prediccin y el control tanto de las temperaturas, de las velocidades de circulacin delfluido en la pileta lquida y de las velocidades de enfriamiento son esenciales para asegurar lacalidad de la soldadura con la geometra de la zona de fusin deseada, la composicin qumica yla microestructura, as como tambin bajas tensiones residuales y distorsiones (22).

Dado que la medicin de las temperaturas superficiales, dentro de la pileta lquida o en laszonas que se mantienen en estado slido es por lo menos difcil, adems de costoso y complejo,un recurso muy utilizado es el uso de mtodos de modelado numrico que permitan aportarinformacin de la transferencia de calor durante la soldadura por fusin.

En toda soldadura slo una fraccin de la energa disipada por la fuente de calor esrealmente absorbida por el metal base. La eficiencia del arco es un parmetro importante para lamedicin de la eficiencia de la transferencia de calor durante los procesos de soldadura por arcoelctrico (22).

En la pileta lquida, el calor es transportado por conveccin y conduccin. Debido a lacomplejidad del fenmeno de flujo de calor convectivo usualmente los clculos paratransferencia de calor en soldadura se limitan a la aplicacin de transferencia de calor porconduccin. Sin embargo este tipo de clculos representa una aproximacin simple y til alproblema de transferencia de calor en soldadura por fusin (22).

A partir del proceso de transferencia de calor desde el arco de soldadura a la pieza y dentrode la misma pieza se determinan parmetros importantes como la temperatura mxima o pico, eltamao y la forma de la pileta de soldadura y de la zona afectada por el calor, y las velocidadesde enfriamiento del metal de soldadura y de la zona afectada por el calor.

3.1.- Transferencia de calorLa transferencia de calor en la soldadura es gobernada principalmente por el transporte de

calor dependiente del tiempo, por conduccin y conveccin, que es expresada por la ecuacinEc. 2.7 basada en la conservacin de la energa (31).

[ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] . .C T v C T v C T v C T k T k T k T S Ec

t x y z x x y y z z

x y z+ + + = + + + 2 7

Donde:k: conductividad trmica [0,028 J/mm s C]T: temperatura en la soldadura [C]: densidad del metal [g/mm3]C: calor especfico del material [J/g C]t: tiempo [seg]vx: componente de la velocidad en la direccin de x [mm/seg]x: coordenada en la direccin de la soldadura [mm]vy: componente de la velocidad en la direccin de y [mm/seg]y: coordenada en la direccin transversal a la soldadura [mm]vz: componente de la velocidad en la direccin de z [mm/seg]z: coordenada en la direccin normal a la superficie de la soldadura [mm]S: velocidad de generacin de calor interno volumtrico [J/mm3 seg]

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El sistema de coordenadas se puede ver en la figura 21. El origen coincide con el centro dela fuente de calor en la superficie de la pieza. La fuente de calor se mueve a una velocidad U enla direccin del eje x, mientras que la pieza permanece estacionaria.

Figura 21.- Sistema de coordenadas para el anlisis de la transferencia de calor en soldadura (22).

El primer trmino del lado izquierdo de la Ec. 2.7 es transitorio y tiene en cuenta el cambioen el contenido de calor de la pieza. Los trminos restantes del lado izquierdo representan latransferencia de calor por conveccin. Los primeros tres trminos del lado derecho representan latransferencia de calor por conduccin, mientras que S representa la velocidad de generacin decalor interno volumtrico (23).

Los clculos referentes a la transferencia de calor y al flujo de lquido en la pileta desoldadura son hoy llevados a cabo a travs de soluciones numricas de las ecuaciones deconservacin de la masa, conservacin de la energa y conservacin de la cantidad demovimiento. Debido a la alta complejidad de los procesos de soldadura un modelado totalmentecomprensivo de la transferencia de calor y del flujo de fluido en la pileta de soldadura requiereclculos muy extensos. Consecuentemente se debe analizar la amplitud de las simplificacionesque puede ser tolerada para una aplicacin particular (23).

3.1.1.- Calor AportadoEl rea donde se aporta calor es relativamente pequea respecto de las dimensiones de la

pieza. Tres variables gobiernan el aporte de calor a la pieza en la soldadura por arco elctrico.Estas variables son: la magnitud de la velocidad de ingreso de energa (el producto de laeficiencia y de la energa por unidad de tiempo producida por la fuente de poder, usualmenteexpresada en watts), la distribucin del calor aportado y la velocidad de soldadura.

La expresin calor aportado es utilizada porque no todo el calor generado entra en lapieza. El calor aportado es usualmente caracterizado por una variable simple HI, que denota larelacin entre la potencia del arco que ingresa en la pieza, respecto de la velocidad de soldadura.

3.1.2.- Absorcin de energaLa fraccin de energa absorbida por la pieza es la responsable de llevar a cabo la

soldadura, incluyendo la formacin de la pileta lquida, el establecimiento del campo detemperaturas, dependiente del tiempo, a travs de toda la soldadura y la evolucin estructural consus propiedades mecnicas resultantes. Los fenmenos fsicos que influyen en la absorcin deenerga por parte de la pieza son particulares de cada proceso de soldadura. Para una dada fuentewww.FreeLibros.org

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de poder, la cantidad de energa que es absorbida por la pieza es funcin de la naturaleza delmaterial, del tipo de fuente de calor y de los parmetros del proceso de soldadura. La eficienciade la fuente de calor se define como la relacin entre la energa absorbida por la pieza y laenerga entregada por la fuente de calor, o sea la fraccin de energa transferida de la fuente decalor a la pieza (22).

Para soldadura por arco la eficiencia de la fuente de calor se expresa segn la ecuacin Ec.2.5 (29).

= + +1 1 2 5q n q mq EcV I

e p w( ) . .

Donde: : Eficiencia de arco.qe : Velocidad de transferencia de calor de la fuente de calor al electrodo (J/seg).n : Fraccin de energas de radiacin y conveccin disipada desde el arco y transferida a la

pieza por unidad de tiempo.qp : Energa disipada desde el arco por radiacin y conveccin por unidad de tiempo

(J/seg).m : Fraccin de calor disipado por radiacin desde la pieza.qw : Velocidad de absorcin de energa por la pieza (J/seg).E : Tensin de arco (V).I : Corriente de soldadura (I).

Para un electrodo consumible la prdida de calor desde el electrodo puede ser usualmenteignorada. En tal situacin, la cantidad de energa transferida al electrodo es eventualmenteabsorbida por la pieza, por lo que la Ec. 2.5 puede ser simplificada resultando finalmente la Ec.2.6 (24).

= +1 1 2 6( ) . .n q mq EcV I

p w

Las ecuaciones Ec. 2.5 y Ec. 2.6 son utilizadas para explicar las prdidas de calor queafectan la eficiencia del arco, sin embargo la determinacin de los trminos qe, qp y qw es difcilde realizar adecuadamente a partir de consideraciones tericas. Desde el punto de vista prcticola determinacin de la eficiencia de arco se realiza experimentalmente a travs de medicionescalorimtricas o de otro tipo, del calor recibido por la pieza para una dada condicin desoldadura (25). Se han reportado eficiencias de arco desde 20 hasta 95% (30).

3.2.- Flujo de fluido en la pileta lquidaComo se mencion anteriormente, en la pileta lquida la circulacin del metal fundido es

controlada por agitacin, por el gradiente de tensin superficial y por fuerzas electromagnticas(24). En algunas circunstancias la fuerza de arrastre aerodinmica del plasma jet puedetambin contribuir a la conveccin en la pileta lquida (25). La agitacin se origina en lavariacin espacial de la densidad de metal lquido, debida principalmente a las variaciones detemperatura, y en una menor medida a variaciones composicionales locales. Los efectoswww.FreeLibros.org

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electromagnticos son la consecuencia de la interaccin entre el camino de la corrientedivergente en la pileta lquida y el campo magntico que esta genera. Este efecto es importanteen la soldadura por arco elctrico especialmente cuando la corriente que circula es elevada. Eneste tipo de soldadura un flujo de plasma de alta velocidad impacta sobre la pileta lquida. Lafriccin de este jet sobre la superficie de la pileta lquida puede producir un movimiento defluido importante. El flujo de fluido y la transferencia de calor por conveccin son usualmentemuy importantes en la determinacin de la forma y el tamao de la pileta lquida, de la macro yla microestructura del metal de soldadura y de la soldabilidad del material (23).

El gradiente espacial de la tensin superficial es una tensin conocida como la tensinMarangoni. Esta variacin espacial en la superficie de la pileta lquida puede llevar a variacionesde la temperatura y de la composicin, siendo frecuentemente la fuerza impulsora de laconveccin ms importante habindose reportado velocidades de hasta 100 cm/seg (23).

Cuando este efecto no es la fuerza impulsora principal las velocidades mximas en el fluidoson mucho menores. En casos donde las fuerzas electromagnticas controla la conveccin en lapileta lquida los valores reportados en la literatura se encuentran tpicamente entre 2 y 20cm/seg (23).

3.3.-Importancia relativa de la conduccin y la conveccinLa importancia relativa de la conduccin y de la conveccin en el proceso global de

transferencia de calor en la pileta lquida puede ser estimada a travs del valor del nmero dePeclet (Pe). Dicho parmetro es una funcin de la velocidad, la densidad, el calor espedfico, unalongitud carcterstica y la conductividad trmica del metal fundido. Cuando dicho nmero esmucho mayor que la unidad el transporte de calor se produce fundamentalmente por conveccin.Sin embargo para metales con alta conductividad trmica, a bajas velocidades y para piletaslquidas pequeas el valor de Pe puuede ser bajo (Pe

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Figura 22.- Variacin de la tensin superficial en funcin de la temperatura y de la concentracin deoxgeno para el sistema Fe-O (26).

En la figura 23 se pueden ver los perfiles de la zona de fusin calculados para GTAW, parahiero puro y para Fe-0,03%O (27). Estos resultados muestran claramente el efecto de laconcentracin de oxgeno en la forma de la pileta y en la relacin de aspecto. Cerca de la fuentede calor, donde la temperatura ms alta el flujo es saliente radialmente. Sin embargo, al alejarsede la fuente de calor una pequea distancia, donde la temperatura cae por debajo del valor crticopara el cual cambia el signo de d/dT, el flujo invierte su direccin.

Se ha observado buena correlacin entre los valores calculados y los datos experimentales(23). Un comportamiento similar fue reportado en la sodadura por fusin GTAW de acerosinoxidables 304 que contenan azufre (28).

Figura 23.- Campos de velocidad, temperatura y forma de la pileta para la soldadura de hierro puroy de hierro con 0,03%O (27).www.FreeLibros.org

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3.5.- Conduccin de calor durante la soldadura por fusinUna solucin rigurosa a la ecuacin completa de flujo de calor considerando transferencia

por conveccin y conduccin es compleja. Como un primer paso, usualmente, es til discutir unasolucin simplificada que considera slo transferencia de calor por conduccin. Estasimplificacin es atractiva ya que se pueden obtener soluciones analticas para la ecuacin deconduccin de calor en muchas situaciones particulares, proveyendo un acercamiento interesantea los procesos de soldadura por fusin (30).

Durante la soldadura por fusin existen gradientes de temperatura a travs del espesor,tanto como en las direcciones paralelas y transversales a la direccin de soldadura. De esta formael patrn de flujo de calor resultante de una fuente de calor en movimiento es tridimensional. Sinembargo puede simplificarse asumiendo las siguientes hiptesis:

- La energa desde la fuente de calor es aplicada a una velocidad uniforme.- La fuente de calor se mueve a una velocidad constante, sobre un camino recto relativo

a la pieza.- La seccin transversal de la junta de soldadura es constante.- Los efectos de borde resultantes del inicio y fin de la soldadura no se tienen en cuenta.

Bajo estas hiptesis la fuente puede ser tratada como una fuente de calor concentrada,entonces el calor aportado y la velocidad de soldadura son suficientes para estimar el ciclotrmico. La solucin analtica de Rosenthal para flujo de calor bidimensional en estado cuasi-estacionario en una placa muy ancha, debido a una fuente de calor puntual en movimiento estexpresada por la Ec. 2.8 (32).

22

2 802

( ) ( ) . .( )

T T k b Q e kUr

EcU x Ut

o =

Donde:k: conductividad trmica (22): [0,028 J/mm s C]R: (x2 + y2 + z2)1/2 [mm]Q: calor aportado [J/s]U: velocidad de soldadura [mm/s]: difusividad trmica del slido (22): [6,364 mm2/s]T: temperatura [C]To: temperatura de precalentamiento [150 C]t: tiempo [s]ko: funcin de Bessel modificada de segundo tipo y orden cerob: espesor de la pieza [mm]r: distancia radial desde el origen [mm]

De la misma forma, la solucin analtica de Rosenthal para flujo de calor tridimensional,en estado cuasi-estacionario, en una placa semi-infinita (muy larga y gruesa), debido a unafuente de calor puntual en movimiento est dada por la Ec. 2.9 (32).

2 2 902 ( ) . .

( )

T T k Q e EcU x U t R

= +

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Donde:k: conductividad trmica (22): [0,028 J/mm s C]R: (x2 + y2 + z2)1/2 [mm]Q: calor aportado [J/s]U: velocidad de soldadura [mm/s]: difusividad trmica del slido (22): [6,364 mm2/s]T: temperatura [C]To: temperatura de precalentamiento [150 C]t: tiempo [s]

En la Figura 24 se puede ver un esquema de la forma general de la distribucin detemperaturas en la superficie de la probeta obtenida a partir de la solucin de Rosenthal.

Figura 24.- Esquema de la distribucin de temperaturas general obtenido a partir de la solucin deRosenthal (33).

En las figuras 25 y 26 se pueden observar aplicaciones de las soluciones de Rosenthal. Lapileta lquida se vuelve ms alargada cuando aumentan la velocidad de soldadura y el caloraportado, lo que es cualitativamente consistente con lo observado experimentalmente. Como sepuede ver en dichas figuras la temperatura en la posicin de la fuente de calor puntual tiende ainfinito debido a una singularidad que presentan en ese punto las soluciones de Rosenthal, porasumir fuente puntual.

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Figura 25.- Resultados calculados con la ecuacin de Rosenthal para flujo de calor tridimensional conU=2,54mm/seg: A- Ciclo trmico. B- Isotermas (22).

Figura 26.- Resultados calculados con la ecuacin de Rosenthal para flujo de calor tridimensionalcon U=6,2mm/seg, P=5kW: A- Ciclo trmico. B- Isotermas (22).

3.6.- Aplicaciones de las ecuaciones de conduccin de calor

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Para condiciones que resulten en un cordn de soldadura cuya seccin transversal seaaproximadamente semicircular u oval, las ecuaciones pueden ser simplificadas asumiendo unafuente de calor puntual. Bajo estas condiciones la relacin entre la energa de soldadura entranteen el metal base por unidad de tiempo respecto de la velocidad de soldadura, Hnet, se vuelve lavariable principal en las ecuaciones de flujo de calor. A partir de esto, varias ecuacionesprcticas simplificadas surgen para estimar cantidades importantes como la velocidad deenfriamiento, la temperatura pico, el ancho de la zona afectada por el calor y la velocidad desolidificacin (22).

Velocidad de enfriamientoLa energa trmica aplicada a la zona soldada es distribuida por conduccin en la

soldadura. Durante el enfriamiento la disminucin de la temperatura se produce por unacombinacin de prdida de calor al ambiente, transferencia de calor al metal base y al metal desoldadura. De esta forma, la velocidad de enfriamiento que tiene lugar en la soldadura es unafuncin de la velocidad de disipacin de energa. La estructura metalrgica final de la zonasoldada es determinada principalmente por la velocidad de enfriamiento desde la temperaturamxima o pico alcanzada durante el ciclo trmico de la soldadura. Esta velocidad deenfriamiento vara con la temperatura y es particularmente importante en aceros tratablestrmicamente.

Una de las aplicaciones prcticas de la ecuacin de la velocidad de enfriamiento es elclculo de la temperatura de precalentamiento. Si la placa es relativamente gruesa, la velocidadde enfriamiento de la junta soldada medida sobre la lnea central puede ser aproximada pormedio de la Ec. 2.10 (34).

Vk T T

HEce

c o

net

= 2 2102 ( )

. .

Donde:Ve: velocidad de enfriamiento [C/s]k: conductividad trmica [0,028 J/mm s C]Tc: temperatura a la que se calcula la velocidad de enfriamiento [C]To: temperatura de precalentamiento [150 C]Hnet: calor aportado neto [J/mm]

Cuando las temperaturas de estudio de la velocidad de enfriamiento son bajas (T

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C: calor especfico del material [J/g C]Hnet: calor aportado neto [J/mm]

La distincin entre los trminos grueso y delgado requiere alguna explicacin. La ecuacinpara placa gruesa es usada cuando el flujo de calor es tridimensional. La ecuacin para placadelgada se aplicar a cualquier soldadura donde el flujo de calor sea esencialmente lateral(bidimensional). Un metal base es delgado cuando la diferencia de temperatura entre la partesuperior y la inferior es pequea en comparacin a la temperatura de fusin. Sin embargo nosiempre es obvia la diferencia entre placa gruesa y delgada, dado que estos trminos no tienen unsignificado absoluto. Por esta razn es til definir una cantidad adimensional conocida comoespesor relativo expresado por la ecuacin Ec. 2.12 (22).

= h C T TH

Ecc o

net

( ). .2 12

Donde:: espesor relativoTc: temperatura [C]To: temperatura de precalentamiento [150 C]h: espesor del material [mm]: densidad del metal base [[g/mm3]C: calor especfico del material [J/g C]Hnet: calor aportado neto [J/mm]

En la figura 27 se puede ver un esquema de la influencia del espesor relativo en lascaractersticas del flujo de calor.

Figura 27.- Esquema de la influencia del espesor relativo en el flujo de calor: A-flujo tridimensional, B-flujo bidimensional, C- condicin intermedia (34).

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Cuando el parmetro de espesor relativo es mayor que 0,9 el flujo de calor es del tipotridimensional y se aplica la ecuacin correspondiente a placa gruesa. Cuando es menor que 0,6el flujo de calor es del tipo bidimensional por lo que la ecuacin a utilizar es la que correspondea placa fina. Cuando est entre 0,6 y 0,9 el lmite superior de la velocidad de enfriamiento estdado por la ecuacin de placa gruesa, mientras que el lmite inferior est dado por la ecuacin deplaca delgada.

Curvas de enfriamiento caractersticas del metal de soldaduraLas curvas de enfriamiento temperatura-tiempo pueden ser obtenidas con relativa facilidad

experimentalmente. En la figura 2. se puede ver una curva tpica temperatura tiempo.

Figura 28.- Curva Temperatura-tiempo tpica (22).

Figura 29.- Relacin entre velocidad de enfriamiento a 540C y velocidad de enfriamiento promedio entre800 y 500C (22).

Como se puede ver en la figura 29 existe una relacin lineal entre la velocidad deenfriamiento a 540C y la velocidad de enfriamiento promedio entre 800 y 500C.

A su vez, existe una relacin observada experimentalmente entre el rea de la seccintransversal del cordn y la velocidad de enfriamiento a 540 y 705C. En la figura 30 se puede veresta relacin para ambas temperaturas.www.FreeLibros.org

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Figura 30.- Relacin entre el rea de la seccin transversal del cordn y la velocidad de enfriamiento a540 y 705C (22).

Temperatura picoPara predecir o interpretar transformaciones metalrgicas en un punto en el metal slido

cercano a una soldadura se requiere algn conocimiento de la temperatura mxima alcanzada endicha posicin. Para estimar la distribucin de temperaturas pico en el metal base adyacente a lasoldadura se utiliza la ecuacin Ec. 2.13 (34).

1 2 1213

T T

e C hY

H T TEc

p o net f o= +

. .

Donde:Tp: temperatura pico o mxima [C]To: temperatura de precalentamiento [150 C]h: espesor del material [mm]: densidad del metal base [[g/mm3]C: calor especfico del material [J/g C]Y: distancia desde el borde de fusin [mm]Tf: temperatura de fusin [C]Hnet: calor aportado neto [J/mm]

Esta ecuacin no es aplicable a puntos dentro del metal de soldadura, sino que slo en lazona afectada por el calor adyacente. En el borde de fusin (Y=0) la temperatura pico Tp es iguala la temperatura de fusin Tf .

Esta ecuacin deriva de la aplicacin de flujo de calor bidimensional, por lo que esaplicable a procesos de corte o a soldadura con penetracin completa, de una pasada.

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Ancho de la zona afectada por el calorDado que la temperatura pico se defini como la temperatura mxima que se alcanza en un

punto por el paso de la fuente de calor, la ecuacin Ec. 2.13 puede ser utilizada para calcular elancho de la zona afectada por el calor. Las propiedades mecnicas de muchos aceros al carbonoy de baja aleacin no se ven afectadas si la temperatura pico es menor de aproximadamente730C. Utilizando esta temperatura para Tp en la ecuacin Ec. 2.13 se puede calcular el ancho dela zona afectada por el calor Yz. De esta ecuacin se puede ver que el ancho de la ZAC esproporcional al calor aportado (22).

Tiempo de solidificacinLa velocidad a la que un metal de soldadura solidifica puede tener una profunda influencia

sobre su estructura metalrgica, propiedades y respuesta al tratamiento trmico. El tiempo desolidificacin Ts del metal de soldadura depende del calor aportado neto y de la temperaturainicial del material, segn la ecuacin Ec.2.14 (22).

TL H

k C T TEcs

net

f o

= 2 2 142 ( ) . .

Donde:Ts: tiempo de solidificacin [seg]L: Calor latente de fusin [2 J/mm3]k: conductividad trmica [0,028 J/mm s C]Tf: temperatura de fusin [C]To: temperatura de precalentamiento [150 C]: densidad del metal base [g/mm3]C: calor especfico del material [J/g C]Hnet: calor aportado neto [J/mm]

3.7.- Vaporizacin desde la superficie de la pileta lquidaLa superficie de la pileta lquida se encuentra normalmente a una temperatura mucho

mayor que el punto de fusin del metal de soldadura. Consecuentemente, tiene lugar unavaporizacin pronunciada de elementos de aleacin, especialmente cuando se utiliza una fuentede alta densidad de energa. Estas prdidas pueden resultar en el cambio de la composicin delmetal de soldadura, pudiendo afectar las propiedades de la soldadura (23).

Dependiendo de la velocidad de evaporacin y de la composicin del metal de soldadura,la evaporacin de elementos de aleacin puede llevar a un importante enfriamiento del metallquido en la pileta de soldadura. Se ha mostrado que la perdida de calor por evaporacin puedereducir significativamente la temperatura pico (23).

4.-Evolucin microestructuralA partir de la evolucin en la tecnologa de fabricacin de chapas de acero se ha requerido

el desarrollo de nuevos consumibles de soldadura que produzcan depsitos con propiedadesmecnicas similares a las del metal base. De la gran cantidad de trabajos que se han desarrolladosobre consumibles aceros de alta resistencia en los ltimos 25 aos la mayora se dedicaron aobtener una mxima tenacidad y ductilidad para un nivel de resistencia dado, a travs del controlmicroestructural del metal de soldadura. La microestructura final del metal de soldaduradepender de complejas interacciones entre muchas variables importantes como (36):www.FreeLibros.org

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- El contenido de aleacin total.- Concentracin, composicin qumica y distribucin de tamaos de las inclusiones no

metlicas.- Microestructura de solidificacin.- Tamao de grano austentico primario.- El ciclo trmico.

En este sentido la evolucin microestructural estar influenciada por fenmenos como lasreacciones metal-gas o metal-escoria, el proceso de solidificacin, la formacin de inclusiones ylas transformaciones de fase en estado slido, siendo las variables operativas del procesocontrolantes de dichos fenmenos.

4.1.-Reacciones gas-metal, escoria-metal y gas-escoria-metal en soldaduraEn el metal de soldadura lquido puede tener lugar un nmero importante de reacciones,

que en primer lugar, se darn en la gota lquida formada en la punta del electrodo,posteriormente durante la transferencia desde el electrodo a la pileta lquida y por ltimo en lapileta lquida propiamente dicha. Estas reacciones incluyen (2):

- Solucin de gas, causando reacciones gas-metal o reacciones con otros elementosdisueltos en el metal lquido.

- Evolucin de gas.- Reaccin con la escoria o fundente.Este tipo de reacciones tendrn un fuerte efecto en la evolucin microestructural, tanto

durante la solidificacin como posteriormente en el estado slido. A su vez, en cada proceso desoldadura se tendr el desarrollo preferencial de algunas de las mencionadas reacciones deacuerdo a sus caractersticas particulares.

En general, las reacciones qumicas de desoxidacin que tienen lugar a elevadastemperaturas controlarn la composicin qumica del metal de soldadura y estarn influenciadaspor el tipo de consumible (metal de aporte, gas y/o escoria), la composicin del metal base y lascondiciones de proceso. La caracterstica de estas reacciones en los procesos de soldadura porarco elctrico es que tienen lugar en segundos, en un volumen de material pequeo donde losgradientes de temperaturas son del orden de los 1000K/mm con velocidades de enfriamiento dehasta 1000K/seg. Como resultado de este comportamiento fuertemente no isotrmico es muydifcil dilucidar la secuencia de reacciones que tendrn lugar durante las distintas etapas delproceso de soldadura (36).

La etapa de alta temperatura comprende tanto reacciones gas-metal como escoria-metalque tienen lugar en la punta del electrodo, en el plasma del arco o en la parte caliente dela piletade soldadura debajo de la raz del arco. El rango de temperaturas de esta etapa es de 1600-2400C