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Figura -  Soldadura por arco con núcleo de fundente: (a) proceso total; (b) área de soldadura ampliada

Soldadura con núcleo de fundente

La soldadura por arco con núcleo de fundente (FCAW) es similar a la GMAW, como se muestra en la figura (a) lateral. Sin embargo, como se muestra en la figura (b) lateral, el electrodo de alambre es con núcleo de fundente en vez de ser sólido; o sea, el electrodo es un tubo de metal con fundente envuelto en su interior. Las funciones del fundente son similares a aquellas del electrodo  cubierto en el proceso SMAW, incluyendo la protección de metal fundido del aire. El uso de gas de protección adicional es opcional.

Figura – Soldadura de arco sumergido: (a) proceso total; (b) área de soldadura ampliada

Soldadura de arco sumergido

La soldadura por arco sumergido ( SAW) es un proceso que funde y une los metales calentándolos con un arco establecido entre un alambre consumible de electrodo y los metales, con el arco siendo protegido por una escoria fundida y fundente granulado, como se muestra en la figura lateral. Este proceso difiere de los procesos de soldadura por arco ya tratados hasta ahora en que el arco está sumergido y por lo tanto es invisible.

El fundente aplicado es suministrado desde una tolva como se ve en la figura lateral (a), que viaja con la antorcha. No es necesario gas de protección debido a que el metal fundido está separado del aire por la escoria fundida y un fundente granular como se ve en la figura (b). Un electrodo positivo de corriente continua es mas usado frecuentemente. Sin embargo, a corrientes muy elevadas de soldadura (o sea, mas de 900 A) es preferible la corriente alterna de manera de minimizar la explosión de arco.  La explosión de arco es causada por la fuerza electromagnética (Lorentz) como resultado de la interacción entre la corriente eléctrica misma y el campo magnético que la misma induce.

Ventajas y desventajas

La acción protectora y de refinado de la escoria ayuda a producir soldaduras limpias en el proceso SAW. Dado que el arco se encuentra sumergido, las pérdidas de calor o chisporroteo hacia el aire circundante son eliminadas aún a elevadas temperaturas de soldadura. Tanto componentes de aleación como polvos de metal pueden ser adicionados al fundente granular para controlar la composición del metal fundido e incrementar el régimen de deposición, respectivamente. Usando dos o mas electrodos en tándem se incrementa aún mas el régimen de deposición. Debido a su elevado régimen de deposición, piezas de trabajo mas gruesas que aquellas en los procesos GTAW y GMAW pueden ser soldadas por proceso SAW. Sin embargo, los volúmenes relativamente elevados de escoria fundida y restos de metal con frecuencia limitan al proceso SAW a la soldadura en posición plana y soldadura circunferencial ( de cañerías ). La entrada relativamente alta de calor puede reducir la calidad de la soldadura e incrementar las distorsiones.

Figura – Soldadura por electroescoria:  (a)proceso total; (b) área de soldadura ampliada.

Soldadura electroescoria

La soldadura electroescoria (ESW) es un proceso que funde y une metales calentándolos con una cubeta de escoria fundida entre los metales y alimentando continuamente un alambre electrodo de aporte dentro de la misma, según se muestra en la figura lateral. El baño de soldadura está cubierta con escoria fundida y se mueve hacia arriba a medida que el proceso de soldadura progresa. Un par de zapatas de cobre enfriadas por agua, una en frente de la pieza de trabajo y otra detrás de la misma, mantienen el baño de soldadura y la escoria fundida para que no se desarmen. En forma similar al proceso SAW, la escoria fundida en el proceso ESW protege al metal de soldadura del aire y lo refina. Estrictamente hablando, sin embargo, el proceso ESW no es un proceso de soldadura por arco, debido a que el arco existe sólo durante el período de inicio, o sea, cuando el arco calienta el fundente y lo funde.

El arco es luego extinguido, y el calor de resistencia generado por la corriente eléctrica pasando a través de la escoria lo mantiene fundido. A fin de hacer el calor mas uniforme, el electrodo es con frecuencia rotado, especialmente en el caso de secciones de soldadura mas gruesas. La figura lateral es la sección transversal de una soldadura electro escoria en un acero de 7 cm de espesor. Ejemplos típicos de la aplicación del proceso ESW incluyen la soldadura del casco de barcos, tanques de almacenamiento y puentes.

Ventajas y desventajas

La soldadura electro escoria puede tener regímenes extremadamente elevados de deposición, pero un solo paso es necesario sin interesar lo gruesa que sea la pieza de trabajo. A diferencia del proceso SAW u otros procesos de soldadura por arco, no hay distorsión angular en el proceso ESW debido a que la soldadura es simétrica con respecto a su eje. Sin embargo, la entrada de calor es muy elevada y la calidad de la soldadura puede ser un poco pobre, incluyendo baja resistencia causada por los granos gruesos en la zona de fusión y la zona afectada por el calor. La soldadura electro escoria está restricta a soldaduras en posición vertical debido a las grandes cantidades de acumulaciones de metal fundido y escoria.

Figura – Soldadura por haz de electrones: (a) proceso; (b) agujero de soldadura (en forma de ojo de cerradura o "keyhole")

Soldadura por haz de electrones

La soldadura por haz de electrones ( proceso EBW ) es un proceso que funde y une metales calentándolos con un haz de electrones. Según se muestra en la figura lateral (a), el cátodo de la pistola del haz de electrones es un filamento cargado negativamente. Al ser calentado hasta su temperatura de emisión termoiónica, este filamento emite electrones.

Estos electrones son acelerados por un campo eléctrico entre un electrodo de polarización de carga negativa (localizado ligeramente debajo del cátodo) y el ánodo. Los mismos pasan a través de la perforación en el ánodo y son enfocados por una bobina electromagnética hacia un punto en la superficie de trabajo.

Las corrientes de haz y los voltajes de aceleración empleados por un proceso EBW típico varían en un rango de 50-1000 mA y 30-175 kV, respectivamente. Un haz de electrones de muy alta intensidad puede vaporizar el metal y formar un hueco de vapor durante la soldadura, según se observa en la última figura (b).

El diámetro del haz decrece con la disminución de la presión ambiente. Los electrones son dispersados cuando los mismos chocan contra moléculas de aire, y cuanto mas baja sea la presión ambiente, menor será la dispersión. Esta es la principal razón por la cual el proceso EBW se realiza en una cámara de vacío.

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El haz de electrones puede ser enfocado hasta diámetros del rango de 0,3-0,8 mm y la densidad de potencia resultante puede ser tan alta como 1010 W/m2. La muy elevada densidad de potencia hace posible vaporizar el material y producir una perforación profunda y por lo tanto soldar. Un solo paso de soldadura de haz de electrones comparado con un paso doble de una soldadura de arco de gas-tungsteno en una plancha de aluminio 2219 de 13 mm de espesor ( 0,5 pulgadas) da un paso mas estrecho para el primero. La energía requerida por unidad de longitud de soldadura es mucho menor en la soldadura de haz de electrones (1,5 kJ/cm, o 3,8 kJ/pulgada) que en la soldadura de arco de gas tungsteno (22,7 kJ/cm, o 57,6 kJ/pulgada).

La soldadura por haz de electrones no está destinada a ser usada para materiales completamente desgasificados tales como acero esponjoso. Bajo soldadura de altas velocidades las burbujas de aire que no tienen suficiente tiempo de salir de los baños de fusión de la soldadura ( Weld pools) dan como resultado porosidades en la soldadura. Los materiales que contienen elementos constitutivos  de vapor a alta presión, tales como aleaciones conteniendo  Mg y Pb, no son recomendados para EBW debido a que la evaporación de estos elementos tiende a dañar las bombas o contaminar el sistema de vacío.

Ventajas y desventajas

Con una elevada densidad de potencia en el proceso EBW, una penetración completa en el agujero ( keyholing ) es posible en piezas de trabajo de gran espesor. Juntas que requieren soldaduras de arco de pasos múltiples pueden ser soldadas en un solo paso a una velocidad de soldadura elevada. Consecuentemente, la entrada total de calor por unidad de longitud de la soldadura es mucho menor que en la soldadura por arco, resultando en una zona afectada por el calor muy angosta y con poca distorsión. Los metales reactivos y refractarios pueden además ser soldados en el vacío, donde no hay aire para causar contaminación.  Algunos metales disimilares pueden además ser soldados debido a que un enfriamiento muy rápido en el proceso EBW puede prevenir la formación de compuestos intermetálicos granulados y frágiles. Cuando las partes soldadas varían en gran medida en masa y tamaño, la habilidad del haz de electrones para localizar precisamente la soldadura y formar una zona de fusión favorable ayuda a prevenir la fusión excesiva de la parte mas pequeña. Sin embargo, el costo del equipamiento EBW es muy elevado. Los requerimientos de elevado vacío (10,3–10,6 torr ) y protección contra rayos X  es inconveniente y consume tiempo. Por esta razón, un EBW de vacío medio ( 10,3 – 25 torr) y un EBW sin vacío ( 1 atm) han sido además desarrollados. El fino tamaño de haz requiere ajuste preciso de la junta y alineamiento de la junta con la pistola. El magnetismo residual y disimilar puede causar deflexión del haz y dar como resultado juntas perdidas.

Figura – Soldadura de haz de laser con laser de estado sólido: (a) proceso; (b) absorción de energía y emisión durante la acción laser

Soldadura por haz laser.

La soldadura por haz laser ( LBW) es un proceso que funde y une metales calentándolos con un haz laser. El haz laser puede ser producido tanto por un laser de estado sólido como por laser de gas. En ambos casos, el haz laser puede ser enfocado y direccionado por medios ópticos para alcanzar altas densidades de potencia. En un laser de esto sólido, un solo cristal es dopado con pequeñas concentraciones de elementos de transición o elementos de tierras raras. Por ejemplo, en un laser YAG el cristal granate de itrio aluminio (YAG) está dopado con neodimio. Los electrones del elemento dopante pueden ser excitados selectivamente a niveles de energía mas altos bajo exposición a lámparas de flash de alta intensidad, como se muestra en la figura lateral (a). La formación del laser ocurre cuando estos electrones excitados retornan a su nivel de energía normal, como se muestra en la figura (b). El nivel de potencia de los láseres de estado sólido ha mejorado significativamente, y láseres continuos YAG de 3 y aún de 5 kW han sido desarrollados. En un laser de CO2, la mezcla de CO2, N2 y He es continuamente excitada por electrodos conectados a la fuente de alimentación y forma un haz laser continuamente. Una potencia mas elevada puede ser alcanzada por un laser de CO2 que por uno de estado sólido, por ejemplo, 15 kW.

Figura – Soldadura de haz laser con laser CO2: (a) proceso

La figura lateral (a) muestra el proceso LBW en el modo de formación de un agujero ojo de cerradura o "keyholing"

A la par de los láseres de estado sólido y gas, los láseres de estado sólido han sido además desarrollados. Los láseres de diodo de 2,5 kW de potencia y 1 mm de diámetro de foco han sido demostrados. Mientras que el ojo de cerradura o keyholding no es aún posible, la soldadura por modo de conducción ( fusión de superficie) ha producido soldaduras con una relación de ancho-profundidad de 3:1 o mejores en hojas de 3 mm de espesor.

Reflectividad

La elevada reflectividad de un haz laser por una superficie de metal es un problema bien conocido en el proceso LBW. Casi hasta un 95% de la potencia del haz de CO2 puede ser reflejado por una superficie de metal  pulida. La reflectividad es ligeramente menor con un haz laser YAG. Las modificaciones de superficie tales con la aspereza, oxidación, y recubrimiento pueden reducir la reflectividad significativamente. Mas aún cuando el ojo de cerradura es establecido, la absorción es alta debido a que el haz es atrapado dentro de la perforación por reflexión interna.

Gas de protección

Un plasma ( un gas iónico) es producido durante el proceso LBW, especialmente a elevados niveles de potencia, debido a la ionización por el haz laser. El plasma puede absorber y dispersar el haz laser y reducir la profundidad de penetración significativamente. Es por lo tanto necesario quitar o suprimir el plasma. El gas de protección para cubrir el metal fundido puede ser direccionado a los costados para soplar y desviar el plasma hacia afuera del camino del haz.  El helio es con frecuencia preferido sobre el argón como gas de protección para potencia elevada de LBW debido a la gran profundidad de penetración.

Debido a que la energía de ionización del helio (24,5 eV) es mayor que la del argón (15,7 eV), el helio es menos propenso a ser ionizado y volverse parte del plasma que el argón. Sin embargo, el helio es mas ligero que el aire y así menos efectivo en el desplazamiento del aire del recorrido del haz. Se ha encontrado que a protección de helio-10% de Ar  mejora la penetración sobre el helio puro en soldaduras de alta velocidad donde un ligero gas de protección puede no tener el tiempo suficiente para desplazar el aire del recorrido del haz.

Los láseres en soldadura por arco

La soldadura de arco de metal-gas asistida por laser (LAGMAW) ha demostrado penetración significativamente mayor que el proceso GMAW convencional. Adicionalmente al calentamiento directo, el haz laser ayuda a enfocar el arco calentando su paso a través del mismo. Esto incrementa la ionización y por lo tanto la conductividad del arco a lo largo del camino del haz y ayuda a enfocar la energía del arco a lo largo de dicho camino. Se ha sugerido que combinando la potencia de arco con un laser de 5 kW, el proceso LAGMAW tiene el potencial de alcanzar una penetración de soldadura en acero dulce equivalente a aquella de 20-25 kW de un laser. Se ha demostrado que un laser de CO (no CO2) de baja potencia de 7W y 1mm de diámetro puede iniciar, guiar y enfocar un arco de tungsteno de gas Ar-1% CO.

Ventajas y desventajas

Como el proceso EBW, el LBW puede producir soldaduras profundas y angostas a evadas velocidades de soldadura, con una zona estrecha afectada por el calor y poca distorsión de la pieza de trabajo. El mismo puede ser usado para soldar metales disimilares o partes variando en gran medida en masa y tamaño.

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