soldadura por arco de plasma

La soldadura por arco de plasma ( PAW ) es un proceso de soldadura por arco similar a la soldadura por arco de tungsteno con gas (GTAW). El arco eléctrico se forma entre un electrodo (generalmente, aunque no siempre, de tungsteno sinterizado ) y la pieza de trabajo . La principal diferencia con la GTAW radica en que, en la PAW, el electrodo se ubica dentro del cuerpo de la antorcha, por lo que el arco de plasma queda separado de la atmósfera de gas de protección . El plasma se fuerza a través de una boquilla de cobre de diámetro reducido que constriñe el arco, y sale del orificio a altas velocidades (cercanas a la velocidad del sonido) y a una temperatura cercana a los 28 000 °C (50 000 °F) o superior.

El plasma de arco es un estado transitorio de un gas. El gas se ioniza al pasar una corriente eléctrica a través de él y se convierte en conductor de electricidad. En estado ionizado, los átomos se dividen en electrones (−) y cationes (+), y el sistema contiene una mezcla de iones, electrones y átomos altamente excitados. El grado de ionización puede variar entre el 1 % y más del 100 % (siendo posible alcanzar grados de ionización dobles y triples). Estos estados existen a medida que se extraen más electrones de sus órbitas.

La energía del chorro de plasma y, por lo tanto, la temperatura, dependen de la potencia eléctrica empleada para generar el arco de plasma. Un valor típico de temperatura obtenido en una antorcha de chorro de plasma ronda los 28 000 °C (50 400 °F), en comparación con los aproximadamente 5500 °C (9930 °F) de un arco de soldadura eléctrica convencional. Todos los arcos de soldadura son plasmas (parcialmente ionizados), pero el de la soldadura por arco de plasma es un arco de plasma constreñido.

Así como las antorchas de oxicorte se pueden utilizar tanto para soldar como para cortar, también se pueden utilizar las antorchas de plasma .

La soldadura por arco de plasma es un proceso de soldadura por arco en el que la coalescencia se produce por el calor generado a partir de un arco confinado entre un electrodo de tungsteno/aleación de tungsteno y la boquilla refrigerada por agua (arco no transferido) o entre un electrodo de tungsteno/aleación de tungsteno y la pieza de trabajo (arco transferido). El proceso emplea dos gases inertes: uno forma el plasma del arco y el otro lo protege. Se puede añadir o no material de aporte.

El proceso de soldadura y corte por arco de plasma fue inventado por Robert M. Gage en 1953 y patentado en 1957. Este proceso era único, ya que permitía realizar cortes y soldaduras de precisión tanto en metales delgados como gruesos. También era capaz de aplicar recubrimientos endurecedores por pulverización sobre otros metales. Un ejemplo de ello fue el recubrimiento por pulverización de las palas de la turbina del cohete Saturno V. ^{[ 1 ]}

La soldadura por arco de plasma es una forma avanzada de soldadura TIG (soldadura por arco de tungsteno con gas inerte ). En el caso de la soldadura TIG, se trata de un arco abierto protegido por argón o helio , mientras que la soldadura por plasma utiliza una antorcha especial cuya boquilla se emplea para confinar el arco, mientras que el gas de protección se suministra por separado. El arco se constriñe mediante una boquilla de pequeño diámetro refrigerada por agua, que lo comprime, aumentando su presión, temperatura y calor de forma intensa, mejorando así la estabilidad, la forma y las características de transferencia de calor del arco.

Los arcos de plasma se forman utilizando gas en dos formas: laminar (baja presión y bajo caudal) y turbulenta (alta presión y alto caudal).

Los gases empleados son argón, helio, hidrógeno o una mezcla de estos. En el caso de la soldadura por plasma, se utiliza un flujo laminar (baja presión y bajo caudal de gas de plasma) para garantizar que el metal fundido no salga de la zona de soldadura.

El arco no transferido (arco piloto) se utiliza durante la soldadura por plasma para iniciar el proceso. El arco se forma entre el electrodo (-) y la boquilla de constricción refrigerada por agua (+). Un arco no transferido se inicia mediante una unidad de alta frecuencia en el circuito. Tras el arranque inicial de alta frecuencia, se forma el arco piloto (corriente baja) entre los electrodos mediante una corriente baja. Una vez que se establece el arco principal, la boquilla queda neutra o, en el caso de soldadura por microplasma, se puede optar por un arco piloto continuo. Un arco transferido posee una alta densidad de energía y velocidad del chorro de plasma. Dependiendo de la corriente utilizada y el flujo de gas, se puede emplear para cortar y fundir metales.

El microplasma utiliza una corriente de entre 0,1 y 10 amperios y se emplea para láminas, fuelles y chapas finas. Se trata de un proceso autógeno que normalmente no utiliza alambre ni polvo de relleno.

El plasma medio utiliza una corriente de entre 10 y 100 amperios y se emplea para la soldadura de placas de mayor espesor con alambre de aporte o autógeno de hasta 6 mm (0,24 pulgadas) y para la deposición de metal (recubrimiento duro) mediante antorchas especializadas y alimentadores de polvo (PTA) que utilizan polvos metálicos.

Se utiliza plasma de alta corriente, superior a 100 amperios, con alambres de aporte que se sueldan a altas velocidades de avance.

Otras aplicaciones del plasma son el corte por plasma, el calentamiento, la deposición de películas de diamante (Kurihara et al. 1989), el procesamiento de materiales, la metalurgia (producción de metales y cerámicas), la pulverización por plasma y el corte subacuático.

El equipo necesario para la soldadura por arco de plasma, junto con sus funciones, es el siguiente:

• Control de corriente y decaimiento de gas : Necesario para cerrar correctamente el orificio de la llave al finalizar la soldadura en la estructura.
• Fijación : Necesaria para evitar la contaminación atmosférica del metal fundido bajo el cordón.
• Materiales : Acero, aluminio y otros materiales
• Generador de alta frecuencia y resistencias limitadoras de corriente : Se utilizan para el encendido del arco. El sistema de arranque del arco puede ser independiente o estar integrado en el sistema.
• Antorcha de plasma : Se utiliza tanto para soldadura por arco transferido como por arco no transferido. Puede ser manual o mecanizada. Actualmente, casi todas las aplicaciones requieren un sistema automatizado. La antorcha se refrigera con agua para prolongar la vida útil de la boquilla y el electrodo. El tamaño y el tipo de punta de la boquilla se seleccionan según el metal a soldar, la forma de la soldadura y la profundidad de penetración deseada.
• Fuente de alimentación : Para la soldadura por arco de plasma, es adecuada una fuente de alimentación de corriente continua ( generador o rectificador ) con características de caída de tensión y una tensión de circuito abierto de 70 voltios o superior. Generalmente, se prefieren los rectificadores a los generadores de CC. Para trabajar con helio como gas inerte, se requiere una tensión de circuito abierto superior a 70 voltios. Esta tensión más alta se puede obtener mediante la conexión en serie de dos fuentes de alimentación; o bien, el arco se puede iniciar con argón a la tensión de circuito abierto normal y luego conectar el helio.

Los parámetros típicos de soldadura para la soldadura por arco de plasma son los siguientes:

Corriente de 50 a 350 amperios, voltaje de 27 a 31 voltios, caudales de gas de 2 a 40 litros/minuto (rango inferior para el gas de orificio y rango superior para el gas de protección exterior), normalmente se emplea corriente continua con electrodo negativo (DCEN) para la soldadura por arco de plasma, excepto para la soldadura de aluminio, en cuyo caso es preferible un electrodo refrigerado por agua para la soldadura de polaridad inversa, es decir, corriente continua con electrodo positivo (DCEP).

• Gases de protección : Se emplean dos gases inertes o mezclas de gases. El gas del orificio, a menor presión y caudal, forma el arco de plasma. La presión del gas del orificio se mantiene intencionadamente baja para evitar la turbulencia del metal de soldadura , pero esta baja presión no proporciona una protección adecuada del baño de fusión. Para obtener una protección adecuada, se envía el mismo gas inerte u otro a través del anillo de protección exterior de la antorcha a caudales comparativamente mayores. La mayoría de los materiales se pueden soldar con argón, helio, argón+hidrógeno y argón+helio, como gases inertes o mezclas de gases. El argón es el más utilizado. El helio se prefiere cuando se desea un patrón de aporte térmico amplio y una pasada de recubrimiento más plana sin soldadura en modo ojo de cerradura. Una mezcla de argón e hidrógeno proporciona una energía térmica mayor que cuando se utiliza solo argón y, por lo tanto, permite soldaduras en modo ojo de cerradura en aleaciones de níquel, aleaciones de cobre y aceros inoxidables.

Para el corte, se puede utilizar una mezcla de argón e hidrógeno (10-30%) o de nitrógeno. El hidrógeno, debido a su disociación atómica y posterior recombinación, genera temperaturas superiores a las alcanzadas con argón o helio solos. Además, el hidrógeno proporciona una atmósfera reductora, lo que ayuda a prevenir la oxidación de la soldadura y sus alrededores. Es importante tener precaución, ya que la difusión de hidrógeno en el metal puede provocar fragilización en algunos metales y aceros.

• Control de voltaje : Necesario en la soldadura de contorno. En la soldadura normal por penetración profunda, una variación en la longitud del arco de hasta 1,5 mm no afecta significativamente la penetración ni la forma del cordón de soldadura, por lo que el control de voltaje no se considera esencial.

La técnica de limpieza de la pieza y adición de material de aporte es similar a la de la soldadura TIG . El material de aporte se añade en el borde delantero del baño de fusión. No se requiere material de aporte para realizar la pasada de raíz.

Tipos de uniones : Para soldar piezas de hasta 25 mm de espesor, se emplean uniones a tope cuadradas, en J o en V. La soldadura por plasma se utiliza para realizar soldaduras con y sin orificio pasante.

Realización de soldaduras sin orificio pasante : Este proceso permite realizar soldaduras sin orificio pasante en piezas de trabajo con un espesor de 2,4 mm o inferior.

Soldadura por efecto ojo de cerradura : Una característica destacada de la soldadura por arco de plasma, gracias al excepcional poder de penetración del chorro de plasma, es su capacidad para producir soldaduras por efecto ojo de cerradura en piezas con espesores de 2,5 mm a 25 mm. El efecto ojo de cerradura se logra mediante la selección adecuada de la corriente, el diámetro del orificio de la boquilla y la velocidad de avance, lo que crea un potente chorro de plasma que penetra completamente en la pieza. El chorro de plasma no debe expulsar el metal fundido de la junta. Las principales ventajas de la técnica del ojo de cerradura son la capacidad de penetrar rápidamente a través de secciones de raíz relativamente gruesas y producir un cordón inferior uniforme sin respaldo mecánico. Además, la relación entre la profundidad de penetración y el ancho de la soldadura es mucho mayor, lo que resulta en una soldadura y una zona afectada por el calor más estrechas. A medida que avanza la soldadura, el metal base delante del ojo de cerradura se funde, fluye a su alrededor y se solidifica, formando así el cordón de soldadura. El efecto ojo de cerradura facilita una penetración profunda a mayor velocidad y produce un cordón de alta calidad. Al soldar piezas más gruesas, al realizar pasadas distintas a la de raíz y al usar material de aporte, la fuerza del chorro de plasma se reduce controlando adecuadamente la cantidad de gas en el orificio.

La soldadura por arco de plasma (PAW) representa un avance con respecto al proceso GTAW. Este proceso utiliza un electrodo de tungsteno no consumible y un arco confinado a través de una boquilla de cobre de diámetro fino. La PAW se puede utilizar para unir todos los metales soldables con GTAW (es decir, la mayoría de los metales y aleaciones comerciales). Entre los metales difíciles de soldar con PAW se incluyen el bronce, el hierro fundido, el plomo y el magnesio. Existen varias variaciones básicas del proceso PAW, como la modificación de la corriente, el caudal de gas de plasma y el diámetro del orificio, entre las que se incluyen:

• Microplasma (< 15 amperios)
• Modo de fusión (15–100 amperios)
• Modo ojo de cerradura (>100 amperios)
• La soldadura por arco de plasma tiene una mayor concentración de energía en comparación con la soldadura GTAW.
• Es posible lograr una penetración profunda y estrecha, con una profundidad máxima de 12 a 18 mm (0,47 a 0,71 pulgadas) dependiendo del material. ^{[ 2 ]}
• Una mayor estabilidad del arco permite una longitud de arco (distancia de separación) mucho mayor y una tolerancia mucho mayor a los cambios en la longitud del arco.
• La soldadura PAW requiere equipos relativamente caros y complejos en comparación con la soldadura GTAW; el mantenimiento adecuado de la antorcha es fundamental.
• Los procedimientos de soldadura tienden a ser más complejos y menos tolerantes a las variaciones en el ajuste, etc.
• La habilidad requerida por el operador es ligeramente superior a la de GTAW.
• Es necesario reemplazar el orificio.

En PAW se utilizan al menos dos flujos de gas separados (y posiblemente tres):

• El gas de plasma fluye a través del orificio y se ioniza.
• Gas de protección: fluye a través de la boquilla exterior y protege la soldadura fundida de la atmósfera.
• Purga inversa y gas residual: necesarios para ciertos materiales y aplicaciones.

Estos gases pueden ser todos iguales o de composición diferente.

• Tipo y polaridad de la corriente
• DCEN de una fuente CC es estándar
• La onda cuadrada de corriente alterna es común en el aluminio y el magnesio.
• Corriente y pulsación de soldadura: La corriente puede variar de 0,5 A a 1200 A; puede ser constante o pulsada a frecuencias de hasta 20 kHz.
• Caudal de gas (Esta variable crítica debe controlarse cuidadosamente en función de la corriente, el diámetro y la forma del orificio, la mezcla de gases y el material y espesor de la base).

Dependiendo del diseño de la antorcha (por ejemplo, el diámetro del orificio), el diseño del electrodo, el tipo y la velocidad del gas, y los niveles de corriente, se pueden lograr varias variaciones del proceso de plasma, entre ellas:

• Corte por arco de plasma (PAC)
• ranurado por arco de plasma
• Recubrimiento por arco de plasma
• pulverización por arco de plasma

Cuando se utiliza para cortar, se aumenta el flujo de gas de plasma para que el chorro de plasma de penetración profunda corte el material y el material fundido se elimine como escoria de corte. El proceso PAC se diferencia del corte oxiacetilénico en que el proceso de plasma opera utilizando el arco para fundir el metal, mientras que en el proceso oxiacetilénico, el oxígeno oxida el metal y el calor de la reacción exotérmica lo funde. A diferencia del corte oxiacetilénico, el proceso PAC se puede aplicar al corte de metales que forman óxidos refractarios, como el acero inoxidable, el hierro fundido, el aluminio y otras aleaciones no ferrosas. Desde que Praxair Inc. presentó el proceso PAC en la feria de la Sociedad Americana de Soldadura en 1954, se han producido numerosas mejoras en el proceso, desarrollos de gases y mejoras en los equipos.

• Oberg, Erik; Jones, Franklin D.; Horton, Holbrook L.; Ryffel, Henry H. (2000), Manual de maquinaria (26.ª ed.), Nueva York: Industrial Press Inc., ISBN 0-8311-2635-3.

• Sociedad Americana de Soldadura, Manual de Soldadura, Volumen 2 (8.ª ed.)