Soldadura por arco

La soldadura por arco es un proceso que se utiliza para unir metales mediante electricidad , generando el calor suficiente para fundirlos. Una vez enfriados, los metales fundidos se unen. Este tipo de soldadura emplea una fuente de alimentación para crear un arco eléctrico entre un electrodo y el material base, fundiendo así los metales en el punto de contacto. Las fuentes de alimentación para soldadura por arco pueden suministrar corriente continua (CC) o alterna (CA), y se utilizan electrodos consumibles o no consumibles.

La zona de soldadura suele estar protegida por algún tipo de gas de protección (por ejemplo, un gas inerte), vapor o escoria. Los procesos de soldadura por arco pueden ser manuales, semiautomáticos o totalmente automatizados. Desarrollada a finales del siglo XIX, la soldadura por arco adquirió gran importancia comercial en la construcción naval durante la Segunda Guerra Mundial. Hoy en día, sigue siendo un proceso fundamental para la fabricación de estructuras y vehículos de acero.

Para suministrar la energía eléctrica necesaria para los procesos de soldadura por arco, se pueden utilizar diferentes fuentes de alimentación. La clasificación más común es la de fuentes de alimentación de corriente constante y fuentes de alimentación de voltaje constante . En la soldadura por arco, el voltaje está directamente relacionado con la longitud del arco, y la corriente con la cantidad de calor aportado. Las fuentes de alimentación de corriente constante se utilizan con mayor frecuencia en procesos de soldadura manual, como la soldadura TIG y la soldadura MIG, ya que mantienen una corriente relativamente constante incluso cuando varía el voltaje. Esto es importante porque en la soldadura manual puede ser difícil mantener el electrodo perfectamente estable, y como resultado, la longitud del arco y, por lo tanto, el voltaje tienden a fluctuar. Las fuentes de alimentación de voltaje constante mantienen el voltaje constante y varían la corriente, por lo que se utilizan con mayor frecuencia en procesos de soldadura automatizados, como la soldadura MIG, la soldadura MIG y la soldadura MIG. En estos procesos, la longitud del arco se mantiene constante, ya que cualquier fluctuación en la distancia entre el alambre y el material base se corrige rápidamente con un gran cambio en la corriente. Por ejemplo, si el alambre y el material base se acercan demasiado, la corriente aumentará rápidamente, lo que a su vez provoca un aumento del calor y la fusión de la punta del alambre, volviendo a su distancia de separación original. ^{[ 1 ]} En condiciones normales de longitud de arco, una fuente de alimentación de corriente constante con un electrodo de varilla funciona a unos 20 voltios. ^{[ 2 ]}

La dirección de la corriente utilizada en la soldadura por arco también juega un papel importante en la soldadura. Los procesos de electrodo consumible, como la soldadura por arco metálico protegido y la soldadura por arco metálico con gas, generalmente utilizan corriente continua, pero el electrodo puede cargarse positiva o negativamente. En general, el ánodo cargado positivamente tendrá una mayor concentración de calor (alrededor del 60%). ^{[ 3 ]} "Tenga en cuenta que para la soldadura con electrodo revestido en general, la polaridad CC+ es la más utilizada. Produce un buen perfil de cordón con un mayor nivel de penetración. La polaridad CC− resulta en menor penetración y una mayor tasa de fusión del electrodo. A veces se utiliza, por ejemplo, en chapa metálica delgada en un intento de evitar la perforación." ^{[ 4 ]} "Con pocas excepciones, el electrodo positivo (polaridad invertida) resulta en una penetración más profunda. El electrodo negativo (polaridad directa) resulta en una fusión más rápida del electrodo y, por lo tanto, una tasa de deposición más rápida." ^{[ 5 ]} Los procesos de electrodo no consumible, como la soldadura por arco de tungsteno con gas, pueden utilizar cualquiera de los dos tipos de corriente continua (CC), así como corriente alterna (CA). Sin embargo, con corriente continua, dado que el electrodo solo crea el arco y no proporciona material de relleno, un electrodo con carga positiva produce soldaduras superficiales, mientras que un electrodo con carga negativa produce soldaduras más profundas. ^{[ 6 ]} La corriente alterna se mueve rápidamente entre estas dos, lo que da como resultado soldaduras de penetración media. Una desventaja de la CA, el hecho de que el arco deba volver a encenderse después de cada cruce por cero, se ha solucionado con la invención de unidades de potencia especiales que producen un patrón de onda cuadrada en lugar de la onda sinusoidal normal , eliminando el tiempo de baja tensión después de los cruces por cero y minimizando los efectos del problema. ^{[ 7 ]}

El ciclo de trabajo es una especificación del equipo de soldadura que define la cantidad de minutos, dentro de un período de 10 minutos, durante los cuales una soldadora de arco determinada puede utilizarse de forma segura. Por ejemplo, una  soldadora de 80 A con un ciclo de trabajo del 60 % debe descansar al menos 4 minutos después de 6 minutos de soldadura continua. ^{[ 8 ]} No respetar las limitaciones del ciclo de trabajo podría dañar la soldadora. Las soldadoras de uso comercial o profesional suelen tener un ciclo de trabajo del 100 %.

Uno de los tipos más comunes de soldadura por arco es la soldadura por arco metálico protegido (SMAW), también conocida como soldadura manual por arco metálico (MMAW) o soldadura con electrodo revestido. Se utiliza una corriente eléctrica para generar un arco entre el material base y una varilla o electrodo consumible . La varilla del electrodo está hecha de un material compatible con el material base que se está soldando y está recubierta con un fundente que emite vapores que actúan como gas protector y proporcionan una capa de escoria, protegiendo así la zona de soldadura de la contaminación atmosférica. El núcleo del electrodo actúa como material de aporte, lo que hace innecesario un aporte adicional. El proceso es muy versátil, requiere poca capacitación del operador y equipos económicos. Sin embargo, los tiempos de soldadura son bastante lentos, ya que los electrodos consumibles deben reemplazarse con frecuencia y la escoria, residuo del fundente, debe eliminarse después de la soldadura. ^{[ 9 ]} Además, el proceso generalmente se limita a la soldadura de materiales ferrosos, aunque los electrodos especiales han hecho posible la soldadura de hierro fundido , níquel , aluminio , cobre y otros metales. La versatilidad del método lo hace popular en diversas aplicaciones, incluyendo trabajos de reparación y construcción. ^{[ 10 ]}

La soldadura por arco metálico con gas (GMAW), comúnmente llamada MIG (por metal/gas inerte ), es un proceso de soldadura semiautomático o automático que utiliza un alambre consumible de alimentación continua que actúa como electrodo y material de aporte, junto con un gas de protección inerte o semi-inerte que circula alrededor del alambre para proteger la zona de soldadura de la contaminación. La fuente de alimentación de corriente continua de voltaje constante es la más utilizada en GMAW, aunque también se emplean fuentes de corriente alterna constante. Gracias a los electrodos de aporte de alimentación continua, la GMAW ofrece velocidades de soldadura relativamente altas; sin embargo, el equipo más complejo reduce la comodidad y la versatilidad en comparación con el proceso SMAW. Desarrollada originalmente para soldar aluminio y otros materiales no ferrosos en la década de 1940, la GMAW pronto se aplicó de forma económica a los aceros . Hoy en día, la GMAW se utiliza comúnmente en industrias como la automotriz por su calidad, versatilidad y velocidad. Debido a la necesidad de mantener una capa estable de gas de protección alrededor del punto de soldadura, puede resultar problemático utilizar el proceso GMAW en zonas con mucho movimiento de aire, como por ejemplo al aire libre. ^{[ 11 ]}

La soldadura por arco con núcleo fundente (FCAW) es una variante de la técnica GMAW. El alambre FCAW consiste en un tubo metálico fino relleno de fundente en polvo. En ocasiones se utiliza un gas de protección externo, pero a menudo el propio fundente proporciona la protección necesaria contra la atmósfera. Este proceso se utiliza ampliamente en la construcción debido a su alta velocidad de soldadura y portabilidad.

La soldadura por arco sumergido (SAW) es un proceso de soldadura de alta productividad en el que el arco se genera bajo una capa de fundente granular. Esto aumenta la calidad del arco, ya que el fundente bloquea los contaminantes presentes en la atmósfera. La escoria que se forma en la soldadura generalmente se desprende por sí sola y, combinada con el uso de un alimentador de alambre continuo, la tasa de deposición de la soldadura es alta. Las condiciones de trabajo mejoran considerablemente con respecto a otros procesos de soldadura por arco, ya que el fundente oculta el arco y no se produce humo. Este proceso se utiliza comúnmente en la industria, especialmente para productos de gran tamaño. ^{[ 12 ]} Dado que el arco no es visible, suele estar automatizado. La soldadura SAW solo es posible en las posiciones 1F (filete plano), 2F (filete horizontal) y 1G (ranura plana).

La soldadura por arco de tungsteno con gas (GTAW), o soldadura TIG ( Tungsten/Inert-Gas ), es un proceso de soldadura manual que utiliza un electrodo no consumible de tungsteno , una mezcla de gas inerte o semi-inerte y un material de aporte independiente. Especialmente útil para soldar materiales delgados, este método se caracteriza por un arco estable y soldaduras de alta calidad, pero requiere una gran habilidad del operario y solo se puede realizar a velocidades relativamente bajas. Se puede utilizar en casi todos los metales soldables, aunque se aplica con mayor frecuencia al acero inoxidable y a los metales ligeros. Se utiliza a menudo cuando la calidad de las soldaduras es extremadamente importante, como en aplicaciones para bicicletas , aeronaves y embarcaciones. ^{[ 13 ]}

Un proceso relacionado, la soldadura por arco de plasma , también utiliza un electrodo de tungsteno, pero emplea gas de plasma para generar el arco. El arco es más concentrado que el arco GTAW, lo que hace que el control transversal sea más crítico y, por lo tanto, generalmente restringe la técnica a un proceso mecanizado. Debido a su corriente estable, el método puede utilizarse en una gama más amplia de espesores de material que el proceso GTAW y es mucho más rápido. Puede aplicarse a todos los mismos materiales que el GTAW, excepto el magnesio ; la soldadura automatizada de acero inoxidable es una aplicación importante del proceso. Una variante del proceso es el corte por plasma , un proceso eficiente para el corte de acero. ^{[ 14 ]}

Otros procesos de soldadura por arco incluyen la soldadura por hidrógeno atómico , la soldadura por arco de carbono , la soldadura por electroescoria , la soldadura por electrogas y la soldadura por arco de pernos .

Algunos materiales, en particular los aceros de alta resistencia, el aluminio y las aleaciones de titanio, son susceptibles a la fragilización por hidrógeno . Si los electrodos utilizados para soldar contienen trazas de humedad, el agua se descompone con el calor del arco y el hidrógeno liberado penetra en la red cristalina del material, provocando su fragilidad. Los electrodos revestidos para estos materiales, con un recubrimiento especial de bajo contenido de hidrógeno, se suministran en envases sellados a prueba de humedad. Los electrodos nuevos pueden utilizarse directamente del envase, pero si se sospecha que han absorbido humedad, deben secarse mediante horneado (generalmente a 450-550 °C o 840-1020 °F ) en un horno de secado. El fundente utilizado también debe mantenerse seco. ^{[ 15 ]}  

Algunos aceros inoxidables austeníticos y aleaciones a base de níquel son propensos a la corrosión intergranular . Cuando se exponen a temperaturas cercanas a los 700 °C (1300 °F) durante un tiempo prolongado, el cromo reacciona con el carbono del material, formando carburo de cromo y agotando los bordes cristalinos de cromo, lo que reduce su resistencia a la corrosión en un proceso denominado sensibilización . Este acero sensibilizado sufre corrosión en las zonas cercanas a las soldaduras, donde la temperatura y el tiempo fueron favorables para la formación del carburo. Este tipo de corrosión se conoce comúnmente como corrosión intergranular.  

El ataque por línea de cuchilla (KLA, por sus siglas en inglés) es otro tipo de corrosión que afecta a las soldaduras, concretamente a los aceros estabilizados con niobio . El niobio y el carburo de niobio se disuelven en el acero a temperaturas muy elevadas. En ciertos regímenes de enfriamiento, el carburo de niobio no precipita, y el acero se comporta entonces como un acero no estabilizado, formando en su lugar carburo de cromo. Esto afecta únicamente a una zona delgada de varios milímetros de ancho en las inmediaciones de la soldadura, lo que dificulta su detección y aumenta la velocidad de corrosión. Las estructuras fabricadas con estos aceros deben calentarse en su totalidad hasta unos 1000 °C (1830 °F) , momento en el que el carburo de cromo se disuelve y se forma el carburo de niobio. La velocidad de enfriamiento posterior a este tratamiento no es importante. ^{[ 16 ]}  

El metal de aporte (material del electrodo) elegido de forma inadecuada para las condiciones ambientales también puede hacerlo susceptible a la corrosión . Asimismo, existen problemas de corrosión galvánica si la composición del electrodo es suficientemente diferente a la de los materiales soldados, o si los materiales son diferentes entre sí. Incluso entre diferentes grados de aceros inoxidables a base de níquel, la corrosión de las uniones soldadas puede ser severa, a pesar de que rara vez sufren corrosión galvánica cuando se unen mecánicamente. ^{[ 17 ]}

La soldadura puede ser una práctica peligrosa e insalubre sin las precauciones adecuadas; sin embargo, con el uso de nuevas tecnologías y la protección apropiada, los riesgos de lesiones o muerte asociados con la soldadura pueden reducirse considerablemente.

Daño ocular

La exposición al brillo de la zona de soldadura provoca una afección llamada ojo de arco, en la que la luz ultravioleta causa inflamación de la córnea y puede quemar las retinas . Para evitar esta exposición, se utilizan gafas y cascos de soldadura con placas faciales oscuras, mucho más oscuras que las de las gafas de sol o las gafas de oxicorte . En los últimos años, se han fabricado nuevos modelos de cascos con una placa facial que se oscurece automáticamente de forma electrónica. ^{[ 19 ]} Para proteger a los observadores, a menudo se colocan cortinas de soldadura transparentes 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. ^{[ 20 ]}

Si bien existen ejemplos de soldadura por forja que se remontan a la Edad del Bronce y la Edad del Hierro , la soldadura por arco no se puso en práctica hasta mucho más tarde.

En 1800, Humphry Davy descubrió los arcos eléctricos pulsados ​​cortos. ^{[ 23 ] [ 24 ]} La soldadura por arco se desarrolló por primera vez cuando Nikolay Benardos presentó la soldadura por arco de metales utilizando un electrodo de carbono en la Exposición Internacional de Electricidad, París en 1881, que fue patentada junto con Stanisław Olszewski en 1887. ^{[ 25 ]} En el mismo año, el inventor eléctrico francés Auguste de Méritens también inventó un método de soldadura por arco de carbono, patentado en 1881, que se utilizó con éxito para soldar plomo en la fabricación de baterías de plomo-ácido . ^{[ 26 ]} Los avances en la soldadura por arco continuaron con la invención de electrodos metálicos a finales del siglo XIX por un ruso, Nikolai Slavyanov (1888), y un estadounidense, CL Coffin . Alrededor de 1900, AP Strohmenger lanzó en Gran Bretaña un electrodo metálico recubierto que proporcionaba un arco más estable. Oscar Kjellberg perfeccionó aún más el proceso de soldadura con electrodo revestido en 1904. ^{[ 27 ]} En 1905, el científico ruso Vladimir Mitkevich propuso el uso de arco eléctrico trifásico para la soldadura. En 1919, C.J. Holslag inventó la soldadura con corriente alterna, pero no se popularizó hasta una década después. ^{[ 28 ]}

También se desarrollaron durante este tiempo procesos de soldadura competitivos como la soldadura por resistencia y la soldadura oxiacetilénica ; ^{[ 29 ]} pero ambos, especialmente el último, se enfrentaron a una fuerte competencia de la soldadura por arco, especialmente después de que se continuara desarrollando recubrimientos metálicos (conocidos como fundente ) para el electrodo, para estabilizar el arco y proteger el material base de impurezas. ^{[ 30 ]}

Durante la Primera Guerra Mundial , la soldadura comenzó a utilizarse en la construcción naval en Gran Bretaña en lugar de las planchas de acero remachadas . Los estadounidenses también aceptaron más la nueva tecnología cuando el proceso les permitió reparar sus barcos rápidamente después de un ataque alemán en el puerto de Nueva York al comienzo de la guerra. ^{[ 31 ]} La soldadura por arco también se aplicó por primera vez a las aeronaves durante la guerra, y algunos fuselajes de aviones alemanes se construyeron utilizando este proceso. ^{[ 32 ]} En 1919, el astillero británico Cammell Laird comenzó la construcción de un buque mercante, el Fullagar , con un casco completamente soldado; ^{[ 33 ]} fue botado en 1921. ^{[ 34 ]}

Durante la década de 1920, se produjeron importantes avances en la tecnología de soldadura, incluyendo la introducción en 1920 de la soldadura automática, en la que el alambre del electrodo se alimentaba continuamente. El gas de protección se convirtió en un tema de gran interés, ya que los científicos intentaban proteger las soldaduras de los efectos del oxígeno y el nitrógeno atmosféricos. La porosidad y la fragilidad fueron los principales problemas, y las soluciones desarrolladas incluyeron el uso de hidrógeno , argón y helio como atmósferas de soldadura. ^{[ 35 ]} Durante la década siguiente, nuevos avances permitieron la soldadura de metales reactivos como el aluminio y el magnesio . Esto, junto con los avances en la soldadura automática, la corriente alterna y los fundentes, impulsó una importante expansión de la soldadura por arco durante la década de 1930 y posteriormente durante la Segunda Guerra Mundial . ^{[ 36 ]}

Durante mediados de siglo, se inventaron muchos métodos nuevos de soldadura. La soldadura por arco sumergido se inventó en 1930 y sigue siendo popular hoy en día. En 1932, el ruso Konstantin Khrenov implementó con éxito la primera soldadura por arco eléctrico subacuática . La soldadura por arco de tungsteno con gas , tras décadas de desarrollo, se perfeccionó finalmente en 1941, y la soldadura por arco metálico con gas le siguió en 1948, permitiendo la soldadura rápida de materiales no ferrosos , pero requiriendo costosos gases de protección. Utilizando un electrodo consumible y una atmósfera de dióxido de carbono como gas de protección, se convirtió rápidamente en el proceso de soldadura por arco metálico más popular. En 1957, debutó el proceso de soldadura por arco con núcleo fundente, en el que el electrodo de alambre autoprotegido podía utilizarse con equipos automáticos, lo que resultó en velocidades de soldadura mucho mayores. Ese mismo año, se inventó la soldadura por arco de plasma . La soldadura por electroescoria se lanzó en 1958 y fue seguida por su variante, la soldadura electrogás , en 1961. ^{[ 37 ]}

• Lista de procesos de soldadura
• Soldadura por arco metálico con gas ("MIG"/"MAG")
• Soldadura oxiacetilénica
• Soldadura con gas inerte de tungsteno ("TIG")
• Soldadura robótica : uso de herramientas programables para soldadura. 
• Sensores para soldadura por arco
• Garantía de calidad de la soldadura

• ASM International (2003). Tendencias en la investigación de la soldadura . Materials Park, Ohio : ASM International. ISBN 0-87170-780-2
• Blunt, Jane y Nigel C. Balchin (2002). Salud y seguridad en la soldadura y procesos afines . Cambridge : Woodhead. ISBN 1-85573-538-5.
• Hicks, John (1999). Diseño de juntas soldadas . Nueva York : Industrial Press. ISBN 0-8311-3130-6.

• Vídeo de concienciación sobre arcos eléctricos (25:39) del Instituto Nacional de Seguridad y Salud Ocupacional de EE. UU.