Soldadura por arco de tungsteno con gas

Los soldadores usan ropa protectora , incluyendo guantes de cuero ligeros y delgados y camisas protectoras de manga larga con cuello alto, para evitar la exposición a la luz ultravioleta intensa . Debido a la ausencia de humo en la soldadura GTAW, la luz del arco eléctrico no está cubierta por humos y partículas como en la soldadura con electrodo revestido o la soldadura por arco metálico protegido , por lo que es mucho más brillante, exponiendo a los operadores a una luz ultravioleta intensa. El arco de soldadura tiene un rango y una intensidad de longitudes de onda de luz UV diferentes a los de la luz solar, pero el soldador está muy cerca de la fuente y la intensidad de la luz es muy fuerte. Los posibles daños por la luz del arco incluyen destellos accidentales en los ojos o daño ocular por arco y daño en la piel similar a una quemadura solar fuerte . Los operadores usan cascos opacos con lentes oscuras para los ojos y cobertura completa de la cabeza y el cuello para evitar esta exposición a la luz UV. Los cascos modernos a menudo cuentan con una placa frontal de tipo cristal líquido que se oscurece automáticamente al exponerse a la luz brillante del arco. Las cortinas de soldadura translúcidas, hechas de una película plástica de cloruro de polivinilo de color intenso , se utilizan a menudo para proteger a los trabajadores cercanos y a los transeúntes de la exposición a la luz ultravioleta del arco eléctrico. ^{[ 18 ]}

Los soldadores también suelen estar expuestos a gases peligrosos y partículas . Si bien el proceso no produce humo, el brillo del arco en la soldadura GTAW puede descomponer el aire circundante para formar ozono y óxidos nítricos. El ozono y los óxidos nítricos reaccionan con el tejido pulmonar y la humedad para crear ácido nítrico y quemaduras por ozono. Los niveles de ozono y óxido nítrico son moderados, pero se debe controlar la duración de la exposición, la exposición repetida, la calidad y cantidad de la extracción de humos y la renovación del aire en la sala. Los soldadores que no trabajan de forma segura pueden contraer enfisema y edema pulmonar, lo que puede provocar la muerte prematura. Del mismo modo, el calor del arco puede causar la formación de humos tóxicos provenientes de materiales de limpieza y desengrase. Las operaciones de limpieza con estos agentes no deben realizarse cerca del área de soldadura, y es necesaria una ventilación adecuada para proteger al soldador. ^{[ 18 ]}

Si bien la industria aeroespacial es una de las principales usuarias de la soldadura por arco de tungsteno con gas (GTAW), este proceso se utiliza en diversas áreas. Muchas industrias emplean GTAW para soldar piezas delgadas, especialmente metales no ferrosos. Se utiliza ampliamente en la fabricación de vehículos espaciales y también se emplea con frecuencia para soldar tubos de pared delgada y pequeño diámetro, como los utilizados en la industria de la bicicleta. Además, GTAW se usa a menudo para realizar soldaduras de raíz o de primera pasada en tuberías de diversos tamaños. En trabajos de mantenimiento y reparación, el proceso se utiliza comúnmente para reparar herramientas y matrices, especialmente componentes de aluminio y magnesio. ^{[ 19 ]} Debido a que el metal de soldadura no se transfiere directamente a través del arco eléctrico como en la mayoría de los procesos de soldadura por arco abierto, el ingeniero de soldadura dispone de una amplia variedad de metales de aporte. De hecho, ningún otro proceso de soldadura permite soldar tantas aleaciones en tantas configuraciones de producto. Las aleaciones de metales de aporte, como el aluminio elemental y el cromo, pueden perderse a través del arco eléctrico por volatilización. Esta pérdida no ocurre con el proceso GTAW. Debido a que las soldaduras resultantes tienen la misma integridad química que el metal base original o se asemejan más a los metales base, las soldaduras GTAW son altamente resistentes a la corrosión y al agrietamiento durante largos períodos de tiempo, lo que convierte a GTAW en el procedimiento de soldadura preferido para operaciones críticas como el sellado de contenedores de combustible nuclear gastado antes de su entierro. ^{[ 20 ]}

Las antorchas de soldadura GTAW están diseñadas para operación automática o manual y están equipadas con sistemas de refrigeración por aire o agua. Las antorchas automáticas y manuales son similares en construcción, pero la antorcha manual tiene un mango, mientras que la automática normalmente viene con un soporte de montaje. El ángulo entre el eje del mango y el eje del electrodo de tungsteno, conocido como ángulo del cabezal, se puede variar en algunas antorchas manuales según la preferencia del operador. Los sistemas de refrigeración por aire se utilizan con mayor frecuencia para operaciones de baja corriente (hasta aproximadamente 200 A ), mientras que la refrigeración por agua es necesaria para soldadura de alta corriente (hasta aproximadamente 600 A). Las antorchas se conectan mediante cables a la fuente de alimentación y mediante mangueras a la fuente de gas de protección y, cuando se utiliza, al suministro de agua. ^{[ 23 ]}  

Las partes metálicas internas de una antorcha están hechas de aleaciones duras de cobre o latón para que puedan transmitir la corriente y el calor de manera eficaz. El electrodo de tungsteno debe sujetarse firmemente en el centro de la antorcha con una pinza del tamaño adecuado , y los orificios alrededor del electrodo proporcionan un flujo constante de gas de protección. Las pinzas se dimensionan según el diámetro del electrodo de tungsteno que sujetan. El cuerpo de la antorcha está hecho de plásticos aislantes resistentes al calor que recubren los componentes metálicos, proporcionando aislamiento térmico y eléctrico para proteger al soldador. ^{[ 23 ]}

El tamaño de la boquilla de la antorcha de soldadura depende de la cantidad de área protegida deseada. El tamaño de la boquilla de gas depende del diámetro del electrodo, la configuración de la junta y la disponibilidad de acceso a la junta por parte del soldador. El diámetro interior de la boquilla es preferiblemente al menos tres veces el diámetro del electrodo, pero no existen reglas estrictas. El soldador evalúa la eficacia de la protección y aumenta el tamaño de la boquilla para incrementar el área protegida por el gas de protección externo según sea necesario. La boquilla debe ser resistente al calor y, por lo tanto, normalmente está hecha de alúmina o un material cerámico, pero el cuarzo fundido , un vidrio de alta pureza, ofrece mayor visibilidad. Se pueden insertar dispositivos en la boquilla para aplicaciones especiales, como lentes de gas o válvulas para mejorar el control del flujo de gas de protección, reducir la turbulencia y la introducción de atmósfera contaminada en el área protegida. Se pueden agregar interruptores manuales para controlar la corriente de soldadura a las antorchas GTAW manuales. ^{[ 23 ]}

La soldadura por arco de tungsteno con gas utiliza una fuente de alimentación de corriente constante, lo que significa que la corriente (y, por lo tanto, el flujo de calor ) permanece relativamente constante, incluso si la distancia del arco y el voltaje cambian. Esto es importante porque la mayoría de las aplicaciones de GTAW son manuales o semiautomáticas, lo que requiere que un operador sostenga la antorcha. Mantener una distancia de arco suficientemente constante es difícil si se utiliza una fuente de alimentación de voltaje constante, ya que puede causar variaciones de calor drásticas y dificultar la soldadura. ^{[ 24 ]}

La polaridad preferida del sistema GTAW depende en gran medida del tipo de metal que se suelda. La corriente continua con un electrodo cargado negativamente (DCEN) se emplea a menudo al soldar aceros , níquel , titanio y otros metales. También puede utilizarse en la soldadura GTAW automática de aluminio o magnesio cuando se utiliza helio como gas de protección. ^{[ 25 ]} El electrodo cargado negativamente genera calor al emitir electrones, que viajan a través del arco, provocando la ionización térmica del gas de protección y aumentando la temperatura del material base. El gas de protección ionizado fluye hacia el electrodo, no hacia el material base, y esto puede permitir que se acumulen óxidos en la superficie de la soldadura. ^{[ 25 ]} La corriente continua con un electrodo cargado positivamente (DCEP) es menos común y se utiliza principalmente para soldaduras superficiales, ya que se genera menos calor en el material base. En lugar de fluir del electrodo al material base, como en DCEN, los electrones van en la dirección opuesta, lo que provoca que el electrodo alcance temperaturas muy altas. ^{[ 25 ]} Para ayudar a mantener su forma y evitar que se ablande, a menudo se utiliza un electrodo de mayor tamaño. A medida que los electrones fluyen hacia el electrodo, el gas de protección ionizado fluye de regreso hacia el material base, limpiando la soldadura al eliminar óxidos y otras impurezas, mejorando así su calidad y apariencia. ^{[ 25 ]}

La corriente alterna, comúnmente utilizada al soldar aluminio y magnesio de forma manual o semiautomática, combina las dos corrientes continuas haciendo que el electrodo y el material base alternen entre carga positiva y negativa. Esto provoca que el flujo de electrones cambie de dirección constantemente, evitando el sobrecalentamiento del electrodo de tungsteno y manteniendo el calor en el material base. ^{[ 25 ]} Los óxidos superficiales se eliminan durante la parte positiva del ciclo y el metal base se calienta más profundamente durante la parte negativa. Algunas fuentes de alimentación permiten a los operadores utilizar una onda de corriente alterna desequilibrada modificando el porcentaje exacto de tiempo que la corriente permanece en cada estado de polaridad, lo que les brinda mayor control sobre la cantidad de calor y la acción de limpieza proporcionada por la fuente de alimentación. ^{[ 25 ]} Además, los operadores deben tener cuidado con la rectificación , en la que el arco no se reenciende al pasar de polaridad directa (electrodo negativo) a polaridad inversa (electrodo positivo). Para solucionar este problema, se puede utilizar una fuente de alimentación de onda cuadrada , así como alta frecuencia para favorecer la estabilidad del arco. ^{[ 25 ]}

El electrodo utilizado en GTAW está hecho de tungsteno o una aleación de tungsteno, ya que el tungsteno tiene el punto de fusión más alto entre los metales puros, a 3422 °C (6192 °F) . Como resultado, el electrodo no se consume durante la soldadura, aunque puede producirse cierta erosión (llamada quemado). Los electrodos pueden tener un acabado limpio o un acabado rectificado: los electrodos con acabado limpio se han limpiado químicamente, mientras que los electrodos con acabado rectificado se han rectificado a un tamaño uniforme y tienen una superficie pulida, lo que los hace óptimos para la conducción del calor. El diámetro del electrodo puede variar entre 0,5 y 6,4 milímetros (0,02 y 0,25 pulgadas) , y su longitud puede oscilar entre 75 y 610 milímetros (3,0 y 24,0 pulgadas) .    

La Organización Internacional de Normalización ( ISO ) y la Sociedad Americana de Soldadura (AWS ) han estandarizado varias aleaciones de tungsteno en las normas ISO 6848 y AWS A5.12, respectivamente, para su uso en electrodos GTAW, y se resumen en la tabla adjunta.

• Los electrodos de tungsteno puro (clasificados como WP o EWP) son electrodos de uso general y de bajo costo. Presentan poca resistencia al calor y baja emisión de electrones. Su uso es limitado en la soldadura de corriente alterna, por ejemplo, de magnesio y aluminio. ^{[ 27 ]}
• Los electrodos de aleación de óxido de torio (o toria ) ofrecen un excelente rendimiento y arranque del arco, lo que los convierte en electrodos populares de uso general. Sin embargo, el torio es algo radiactivo , por lo que la inhalación de vapores y polvo supone un riesgo para la salud, y su eliminación, un riesgo ambiental. ^{[ 28 ]}
• El óxido de cerio (o ceria ) como elemento de aleación mejora la estabilidad del arco y facilita el arranque, a la vez que reduce la pérdida de material. La adición de cerio no es tan eficaz como la de torio, pero funciona bien, ^{[ 29 ]} y el cerio no es radiactivo. ^{[ 28 ]}
• Una aleación de óxido de lantano (o lantana ) tiene un efecto similar al del cerio y tampoco es radiactiva. ^{[ 28 ]}
• Los electrodos que contienen óxido de circonio (o zirconia ) aumentan la capacidad de corriente al tiempo que mejoran la estabilidad y el arranque del arco, además de aumentar la vida útil del electrodo. ^{[ 28 ]}

Los metales de aporte también se utilizan en casi todas las aplicaciones de GTAW, con la principal excepción de la soldadura de materiales delgados. Los metales de aporte están disponibles en diferentes diámetros y se fabrican con diversos materiales. En la mayoría de los casos, el metal de aporte, en forma de varilla, se añade manualmente al baño de fusión, pero algunas aplicaciones requieren un suministro automático de metal de aporte, que suele almacenarse en bobinas o carretes. ^{[ 30 ]}

Al igual que en otros procesos de soldadura, como la soldadura por arco metálico con gas (GTAW), en la GTAW se necesitan gases de protección para proteger la zona de soldadura de gases atmosféricos como el nitrógeno y el oxígeno , que pueden causar defectos de fusión, porosidad y fragilización del metal de soldadura si entran en contacto con el electrodo, el arco o el metal de soldadura. El gas también transfiere calor del electrodo de tungsteno al metal y ayuda a iniciar y mantener un arco estable. ^{[ 31 ]}

La selección de un gas de protección depende de varios factores, incluyendo el tipo de material a soldar, el diseño de la junta y el aspecto final deseado de la soldadura. El argón es el gas de protección más utilizado para GTAW, ya que ayuda a prevenir defectos debidos a una longitud de arco variable. Cuando se utiliza con corriente alterna, la protección con argón da como resultado una soldadura de alta calidad y buen aspecto. Otro gas de protección común, el helio, se utiliza con mayor frecuencia para aumentar la penetración de la soldadura en una junta, aumentar la velocidad de soldadura y soldar metales con alta conductividad térmica, como el cobre y el aluminio. Una desventaja significativa es la dificultad para iniciar un arco con gas helio y la disminución de la calidad de la soldadura asociada con una longitud de arco variable. ^{[ 31 ]}

Las mezclas de argón-helio también se utilizan con frecuencia en la soldadura GTAW, ya que permiten un mayor control del aporte térmico manteniendo las ventajas del argón. Normalmente, estas mezclas se componen principalmente de helio (a menudo alrededor del 75 % o más) y el resto de argón. Estas mezclas aumentan la velocidad y la calidad de la soldadura de CA de aluminio y facilitan el inicio del arco. Otra mezcla de gas de protección, argón- hidrógeno , se utiliza en la soldadura mecanizada de acero inoxidable de calibre ligero, pero debido a que el hidrógeno puede causar porosidad, su uso es limitado. ^{[ 31 ]} De manera similar, a veces se puede añadir nitrógeno al argón para ayudar a estabilizar la austenita en aceros inoxidables austeníticos y aumentar la penetración al soldar cobre. Sin embargo, debido a los problemas de porosidad en aceros ferríticos y a sus beneficios limitados, no es un aditivo popular para el gas de protección. ^{[ 32 ]}

El aluminio y el magnesio se sueldan con mayor frecuencia utilizando corriente alterna, pero también es posible el uso de corriente continua, ^{[ 34 ]} dependiendo de las propiedades deseadas. Antes de soldar, el área de trabajo debe limpiarse y puede precalentarse a 175 a 200 °C (347 a 392 °F) para aluminio o a un máximo de 150 °C (302 °F) para piezas de trabajo de magnesio gruesas para mejorar la penetración y aumentar la velocidad de avance. ^{[ 35 ]} La corriente alterna puede proporcionar un efecto de autolimpieza, eliminando la fina capa refractaria de óxido de aluminio que se forma en el aluminio a los pocos minutos de exposición al aire. Esta capa de óxido debe eliminarse para que se produzca la soldadura. ^{[ 35 ]} Cuando se utiliza corriente alterna, se prefieren los electrodos de tungsteno puro o los electrodos de tungsteno zirconiado en lugar de los electrodos toriados, ya que estos últimos son más propensos a "escupir" partículas de electrodo a través del arco de soldadura hacia la soldadura. Se prefieren las puntas de electrodo romas y se debe emplear gas de protección de argón puro para piezas de trabajo delgadas. La introducción de helio permite una mayor penetración en piezas de trabajo más gruesas, pero puede dificultar el inicio del arco. ^{[ 35 ]}    

La corriente continua de cualquier polaridad, positiva o negativa, también puede utilizarse para soldar aluminio y magnesio. La corriente continua con un electrodo cargado negativamente (DCEN) permite una alta penetración. ^{[ 35 ]} El argón se utiliza comúnmente como gas de protección para la soldadura DCEN de aluminio. Los gases de protección con alto contenido de helio se utilizan a menudo para una mayor penetración en materiales más gruesos. Los electrodos toriados son adecuados para su uso en la soldadura DCEN de aluminio. La corriente continua con un electrodo cargado positivamente (DCEP) se utiliza principalmente para soldaduras superficiales, especialmente aquellas con un espesor de junta inferior a 1,6 mm (0,063 pulg.) . Se suele utilizar un electrodo de tungsteno toriado, junto con gas de protección de argón puro. ^{[ 35 ]}  

Para la soldadura GTAW de aceros al carbono e inoxidables, la selección del material de aporte es importante para evitar una porosidad excesiva. Los óxidos del material de aporte y de las piezas deben eliminarse antes de soldar para evitar la contaminación, e inmediatamente antes de soldar, se debe usar alcohol o acetona para limpiar la superficie. ^{[ 36 ]} Generalmente, no es necesario el precalentamiento para aceros dulces de menos de una pulgada de espesor, pero los aceros de baja aleación pueden requerir precalentamiento para ralentizar el proceso de enfriamiento y evitar la formación de martensita en la zona afectada por el calor . Los aceros para herramientas también deben precalentarse para evitar el agrietamiento en la zona afectada por el calor. Los aceros inoxidables austeníticos no requieren precalentamiento, pero los aceros inoxidables de cromo martensíticos y ferríticos sí. Normalmente se utiliza una fuente de alimentación DCEN, y se recomiendan electrodos toriados, con punta afilada. Se utiliza argón puro para piezas delgadas, pero se puede introducir helio a medida que aumenta el espesor. ^{[ 36 ]}

La soldadura de metales diferentes suele presentar nuevas dificultades para la soldadura GTAW, ya que la mayoría de los materiales no se fusionan fácilmente para formar una unión fuerte. Sin embargo, las soldaduras de materiales diferentes tienen numerosas aplicaciones en la fabricación, los trabajos de reparación y la prevención de la corrosión y la oxidación . ^{[ 37 ]} En algunas uniones, se elige un metal de aporte compatible para ayudar a formar la unión, y este metal de aporte puede ser el mismo que uno de los materiales base (por ejemplo, usar un metal de aporte de acero inoxidable con acero inoxidable y acero al carbono como materiales base), o un metal diferente (como el uso de un metal de aporte de níquel para unir acero y hierro fundido ). Se pueden recubrir o "mantequillar" materiales muy diferentes con un material compatible con un metal de aporte en particular, y luego soldarlos. Además, la GTAW se puede utilizar para revestir o superponer materiales diferentes. ^{[ 37 ]}

Al soldar metales diferentes, la unión debe tener un ajuste preciso, con las dimensiones de separación y los ángulos de bisel adecuados. Se debe tener cuidado para evitar la fusión excesiva del material base. La corriente pulsada es particularmente útil para estas aplicaciones, ya que ayuda a limitar el aporte de calor. El metal de aporte debe añadirse rápidamente y debe evitarse un baño de soldadura extenso para prevenir la dilución de los materiales base. ^{[ 37 ]}

En el modo de corriente pulsada, la corriente de soldadura alterna rápidamente entre dos niveles. El nivel de corriente más alto se conoce como corriente pulsada, mientras que el nivel más bajo se denomina corriente de fondo. Durante el período de corriente pulsada, la zona de soldadura se calienta y se produce la fusión. Al descender a la corriente de fondo, la zona de soldadura se enfría y solidifica. La soldadura GTAW con corriente pulsada presenta varias ventajas, entre ellas una menor entrada de calor y, por consiguiente, una reducción de la distorsión y la deformación en piezas delgadas. Además, permite un mayor control del baño de fusión y puede aumentar la penetración, la velocidad y la calidad de la soldadura. Un método similar, la soldadura GTAW programada manualmente, permite al operador programar una velocidad y magnitud específicas de las variaciones de corriente, lo que la hace útil para aplicaciones especializadas. ^{[ 38 ]}

La variante con aplicador de precisión se utiliza para colocar con exactitud el metal de soldadura en bordes delgados. El proceso automático reproduce los movimientos de la soldadura manual alimentando un alambre de aporte frío o caliente en la zona de soldadura y aplicándolo (o haciéndolo oscilar) en el arco de soldadura. Puede utilizarse junto con corriente pulsada y se emplea para soldar diversas aleaciones, como titanio, níquel y aceros para herramientas. Entre sus aplicaciones comunes se incluyen la reconstrucción de juntas en motores a reacción y la fabricación de hojas de sierra, fresas , brocas y cuchillas de cortacésped. ^{[ 39 ]}