Soldadura por arco metálico protegido

Los problemas de calidad más comunes asociados con la soldadura SMAW incluyen salpicaduras de soldadura, porosidad, fusión deficiente, penetración superficial y agrietamiento.

Las salpicaduras de soldadura, si bien no afectan la integridad de la soldadura, dañan su apariencia y aumentan los costos de limpieza. A menudo se requieren servicios de acabado secundarios debido a la apariencia estética causada por la aparición de salpicaduras de material fundido. ^{[ 15 ]} Pueden ser causadas por una corriente excesivamente alta, un arco largo o el soplo del arco , una condición asociada con la corriente continua caracterizada por la desviación del arco eléctrico lejos del baño de soldadura por fuerzas magnéticas. El soplo del arco también puede causar porosidad en la soldadura, al igual que la contaminación de la junta, la alta velocidad de soldadura y un arco de soldadura largo, especialmente cuando se utilizan electrodos de bajo hidrógeno. ^{[ 16 ]}

Los defectos en la resistencia de la soldadura la hacen propensa a agrietarse. La porosidad del cordón puede causar un debilitamiento grave y, a menudo, solo se detecta mediante métodos avanzados de ensayos no destructivos . La porosidad se produce cuando los gases generados por el fundente no protegen adecuadamente el metal fundido. Un cordón sobreexpuesto absorbe nitrógeno, oxígeno e hidrógeno de la atmósfera; estos gases forman pequeñas cavidades en el cordón y se liberan durante el enfriamiento. Una fusión deficiente también afecta la resistencia de la soldadura y suele ser fácilmente visible. Esto se debe a una corriente baja, superficies de la junta contaminadas o al uso de un electrodo inadecuado. Las soldaduras superficiales son más débiles y pueden mitigarse disminuyendo la velocidad de soldadura, aumentando la corriente o utilizando un electrodo más pequeño.

Otros factores que influyen en la propensión al agrietamiento incluyen un alto contenido de carbono, aleación o azufre en el material base, especialmente si no se emplean electrodos de bajo hidrógeno ni precalentamiento. Además, las piezas de trabajo no deben estar excesivamente restringidas, ya que esto introduce tensiones residuales en ellas (y específicamente en la soldadura) a medida que se expanden y contraen debido al calentamiento y enfriamiento. A medida que la soldadura se enfría y se contrae, esta tensión residual puede provocar agrietamiento. ^{[ 17 ]}

La soldadura SMAW, al igual que otros métodos de soldadura, puede ser una práctica peligrosa e insalubre si no se toman las precauciones adecuadas. El proceso utiliza un arco eléctrico abierto, lo que conlleva un riesgo de quemaduras que se previenen con equipos de protección personal , como guantes de cuero gruesos y chaquetas de manga larga. Además, el brillo de la zona de soldadura puede provocar una afección llamada ojo de arco o quemadura por destello, en la que la luz ultravioleta causa inflamación de la córnea y puede quemar las retinas . Para prevenir esta exposición, se utilizan cascos de soldadura con placas frontales oscuras, y en los últimos años se han fabricado nuevos modelos de cascos con una placa frontal que se oscurece automáticamente al exponerse a altas cantidades de luz ultravioleta. Para proteger a las personas cercanas, especialmente en entornos industriales, a menudo se utilizan cortinas de soldadura translúcidas alrededor de la zona de soldadura. Estas cortinas, hechas de una película de plástico de cloruro de polivinilo , protegen a los trabajadores cercanos de la exposición a la luz ultravioleta del arco eléctrico, pero no deben utilizarse como sustituto del filtro de vidrio de los cascos. ^{[ 18 ]}

Además, la vaporización del metal y los materiales fundentes expone a los soldadores a gases peligrosos y partículas . El humo producido contiene partículas de diversos tipos de óxidos . El tamaño de estas partículas influye en la toxicidad de los humos, siendo las más pequeñas las que presentan mayor peligro. Asimismo, pueden formarse gases como el dióxido de carbono y el ozono , que pueden resultar peligrosos si la ventilación es insuficiente. Algunas de las máscaras de soldadura más modernas incorporan un ventilador eléctrico para ayudar a dispersar los humos nocivos. ^{[ 19 ]}

La soldadura por arco metálico protegido es uno de los procesos de soldadura más populares del mundo, representando más de la mitad de toda la soldadura en algunos países. Debido a su versatilidad y simplicidad, predomina especialmente en la industria del mantenimiento y la reparación, y se utiliza ampliamente en la construcción de estructuras de acero y en la fabricación industrial. En los últimos años, su uso ha disminuido a medida que la soldadura por arco con núcleo fundente se ha expandido en la industria de la construcción y la soldadura por arco metálico con gas se ha popularizado en entornos industriales. Sin embargo, debido al bajo costo del equipo y su amplia aplicabilidad, es probable que el proceso siga siendo popular, especialmente entre aficionados y pequeñas empresas donde los procesos de soldadura especializados resultan antieconómicos e innecesarios. ^{[ 20 ]}

La soldadura SMAW se utiliza frecuentemente para soldar acero al carbono , acero de baja y alta aleación , acero inoxidable, hierro fundido y hierro dúctil . Si bien es menos común para materiales no ferrosos , puede utilizarse en níquel y cobre y sus aleaciones y, en raras ocasiones, en aluminio. El espesor del material a soldar está limitado principalmente por la habilidad del soldador, pero rara vez desciende por debajo de 1,5 mm (0,06 pulg.) . No existe un límite superior: con una preparación adecuada de la junta y el uso de múltiples pasadas, se pueden unir materiales de espesores prácticamente ilimitados. Además, dependiendo del electrodo utilizado y la habilidad del soldador, la soldadura SMAW puede emplearse en cualquier posición. ^{[ 21 ]}  

La fuente de alimentación utilizada en SMAW tiene una salida de corriente constante, lo que garantiza que la corriente (y, por lo tanto, el calor) permanezca relativamente constante, incluso si la distancia del arco y el voltaje cambian. Esto es importante porque la mayoría de las aplicaciones de SMAW son manuales, 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. Sin embargo, dado que la corriente no se mantiene absolutamente constante, los soldadores expertos que realizan soldaduras complejas pueden variar la longitud del arco para causar pequeñas fluctuaciones en la corriente. ^{[ 23 ]}

La polaridad preferida del sistema SMAW depende principalmente del electrodo utilizado y de las propiedades deseadas de la soldadura. La corriente continua con un electrodo cargado negativamente (DCEN) provoca una acumulación de calor en el material base, ^{[ 24 ]} disminuyendo la velocidad de fusión del electrodo y aumentando la profundidad de la soldadura. Invertir la polaridad, de modo que el electrodo esté cargado positivamente (DCEP) y la pieza de trabajo negativamente, aumenta el desgaste del electrodo y disminuye la penetración de la soldadura. Con corriente alterna, la polaridad cambia más de 100 veces por segundo, creando una distribución uniforme del calor y proporcionando un equilibrio entre la velocidad de fusión del electrodo y la penetración. ^{[ 25 ]}

Normalmente, el equipo utilizado para SMAW consta de un transformador reductor y, para los modelos de corriente continua, un rectificador que convierte la corriente alterna en corriente continua. Dado que la alimentación que normalmente recibe la máquina de soldar es corriente alterna de alto voltaje, el transformador de soldadura se utiliza para reducir el voltaje y aumentar la corriente. Como resultado, en lugar de 220 V a 50 A , por ejemplo, la alimentación del transformador es de entre 17 y 45  V con corrientes de hasta 600  A. Se pueden utilizar varios tipos de transformadores para producir este efecto, incluyendo transformadores de bobina múltiple e inversores , cada uno con un método diferente para manipular la corriente de soldadura. El transformador de bobina múltiple ajusta la corriente variando el número de espiras (en transformadores con derivaciones) o variando la distancia entre las bobinas primaria y secundaria (en transformadores de bobina móvil o núcleo móvil). Los inversores, que son más pequeños y, por lo tanto, más portátiles, utilizan componentes electrónicos para modificar las características de la corriente. ^{[ 26 ]}

Los generadores eléctricos y alternadores se utilizan frecuentemente como fuentes de alimentación portátiles para soldadura, pero debido a su menor eficiencia y mayor costo, su uso en la industria es menos frecuente. El mantenimiento también tiende a ser más difícil, debido a la complejidad de usar un motor de combustión como fuente de energía. Sin embargo, en cierto sentido son más sencillos: no requieren rectificadores independientes, ya que pueden proporcionar corriente alterna (CA) o continua (CC). ^{[ 27 ]} No obstante, las unidades accionadas por motor son más prácticas en trabajos de campo, donde la soldadura a menudo debe realizarse al aire libre y en lugares donde las soldadoras de tipo transformador no son utilizables por falta de una fuente de energía disponible para transformar.

En algunas unidades, el alternador es prácticamente idéntico al utilizado en los grupos electrógenos portátiles conectados a la red eléctrica, modificado para producir una corriente mayor a un voltaje menor, pero manteniendo la  frecuencia de la red de 50 o 60 Hz. En unidades de mayor calidad, se utiliza un alternador con más polos que suministra corriente a una frecuencia más alta, como 400  Hz. El menor tiempo que la onda de alta frecuencia permanece cerca de cero facilita considerablemente el inicio y el mantenimiento de un arco eléctrico estable, en comparación con los grupos electrógenos más económicos que funcionan con la frecuencia de la red o con la alimentación de la red eléctrica.

La elección del electrodo para SMAW depende de varios factores, incluyendo el material de soldadura, la posición de soldadura y las propiedades de soldadura deseadas. El electrodo está recubierto con una mezcla metálica llamada fundente, que libera gases al descomponerse para prevenir la contaminación de la soldadura, introduce desoxidantes para purificarla, provoca la formación de escoria protectora, mejora la estabilidad del arco y proporciona elementos de aleación para mejorar la calidad de la soldadura. ^{[ 28 ]} Los electrodos se pueden dividir en tres grupos: los diseñados para fundirse rápidamente se denominan electrodos de "relleno rápido", los diseñados para solidificarse rápidamente se denominan electrodos de "congelación rápida", y los electrodos intermedios se conocen como electrodos de "relleno-congelación" o de "seguimiento rápido". Los electrodos de relleno rápido están diseñados para fundirse rápidamente de modo que se pueda maximizar la velocidad de soldadura, mientras que los electrodos de congelación rápida suministran metal de aporte que se solidifica rápidamente, lo que permite soldar en diversas posiciones al evitar que el baño de fusión se desplace significativamente antes de solidificarse. ^{[ 29 ]}

La composición del núcleo del electrodo suele ser similar, e incluso idéntica, a la del material base. Sin embargo, aunque existen diversas opciones viables, una ligera diferencia en la composición de la aleación puede afectar significativamente las propiedades de la soldadura resultante. Esto es especialmente cierto en el caso de aceros aleados como los aceros HSLA . Asimismo, para soldar materiales no ferrosos como el aluminio y el cobre, se suelen utilizar electrodos con composiciones similares a las de los materiales base. ^{[ 30 ]} No obstante, en ocasiones resulta conveniente utilizar electrodos con núcleos de materiales significativamente diferentes al material base. Por ejemplo, a veces se utilizan electrodos de acero inoxidable para soldar dos piezas de acero al carbono, y con frecuencia se emplean para soldar piezas de acero inoxidable con piezas de acero al carbono. ^{[ 31 ]}

Los recubrimientos de electrodos pueden consistir en diversos compuestos, como rutilo , fluoruro de calcio , celulosa y polvo de hierro. Los electrodos de rutilo, recubiertos con un 25 %-45 % de TiO₂ _, se caracterizan por su facilidad de uso y el buen aspecto de la soldadura resultante. Sin embargo, generan soldaduras con alto contenido de hidrógeno, lo que favorece la fragilización y el agrietamiento. Los electrodos que contienen fluoruro de calcio (CaF₂ ₎ , a veces conocidos como electrodos básicos o de bajo hidrógeno, son higroscópicos y deben almacenarse en condiciones secas. Producen soldaduras resistentes, pero con una superficie de unión rugosa y convexa. Los electrodos recubiertos con celulosa, especialmente cuando se combinan con rutilo, proporcionan una penetración profunda en la soldadura, pero debido a su alto contenido de humedad, deben emplearse procedimientos especiales para evitar un riesgo excesivo de agrietamiento. Por último, el polvo de hierro es un aditivo común en los recubrimientos que aumenta la velocidad de llenado de la junta de soldadura por parte del electrodo, hasta el doble. ^{[ 32 ]}

Para identificar los distintos electrodos, la Sociedad Americana de Soldadura (AWS) estableció un sistema que les asigna un número de cuatro o cinco dígitos. Los electrodos revestidos de acero dulce o de baja aleación llevan el prefijo E , seguido de su número. Los dos o tres primeros dígitos del número especifican la resistencia a la tracción del metal de soldadura, en miles de libras por pulgada cuadrada (ksi). El penúltimo dígito generalmente identifica las posiciones de soldadura permitidas con el electrodo, normalmente utilizando los valores 1 (electrodos de solidificación rápida, que implican soldadura en todas las posiciones) y 2 (electrodos de llenado rápido, que implican solo soldadura horizontal). La corriente de soldadura y el tipo de revestimiento del electrodo se especifican mediante los dos últimos dígitos. Cuando corresponde, se utiliza un sufijo para indicar el elemento de aleación que aporta el electrodo. ^{[ 33 ]}

Entre los electrodos comunes se encuentra el E6010, un electrodo de solidificación rápida para todas las posiciones con una resistencia a la tracción mínima de 60 ksi (410 MPa ) , que se opera con DCEP y proporciona una penetración profunda de la soldadura con un arco potente capaz de quemar óxido ligero u óxidos en la pieza de trabajo. El E6011 es similar, excepto que su recubrimiento de fundente permite su uso con corriente alterna además de DCEP. El E7024 es un electrodo de llenado rápido, utilizado principalmente para realizar soldaduras de filete planas u horizontales con CA, CCEN o DCEP. Ejemplos de electrodos de solidificación rápida son el E6012, el E6013 y el E7014, que ofrecen un equilibrio entre velocidades de soldadura rápidas y soldadura en todas las posiciones. ^{[ 34 ]}  

Aunque la soldadura SMAW es casi exclusivamente un proceso de soldadura por arco manual, existe una variante notable conocida como soldadura por gravedad o soldadura por arco por gravedad. Esta consiste en una versión automatizada del proceso tradicional de soldadura por arco metálico protegido, que emplea un portaelectrodos sujeto a una barra inclinada a lo largo de la soldadura. Una vez iniciado, el proceso continúa hasta que se agota el electrodo, lo que permite al operario gestionar varios sistemas de soldadura por gravedad. Los electrodos empleados (a menudo E6027 o E7024) están recubiertos con una gruesa capa de fundente y suelen tener una longitud de 71 cm (28 pulgadas) y un espesor de aproximadamente 6,35 mm (0,25 pulgadas) . Al igual que en la soldadura SMAW manual, se utiliza una fuente de alimentación de corriente constante, ya sea corriente continua de polaridad negativa o corriente alterna. Debido al aumento en el uso de procesos de soldadura semiautomáticos, como la soldadura por arco con núcleo fundente, la popularidad de la soldadura por gravedad ha disminuido, ya que su ventaja económica sobre estos métodos suele ser mínima. Otros métodos relacionados con SMAW que se utilizan con aún menos frecuencia incluyen la soldadura por chispa, un método automático para realizar soldaduras a tope y de filete, y la soldadura por electrodo masivo, un proceso para soldar componentes o estructuras grandes que puede depositar hasta 27 kg (60 lb) de metal de soldadura por hora. ^{[ 11 ]}