Es un proceso de soldadura por arco en el cual de emplea un arco constreñido entre un electrodo no consumible y el charco de soldadura (arco transferido) o entre el electrodo y una boquilla de constricción (arco no transferido). La protección se obtiene del gas caliente ionizado que suministra la antorcha, y normalmente es complementado por una fuente auxiliar de gas o mezcla de gases inertes. No se aplica presión y puede emplearse con o sin adiciones de metal de aporte.
En muchos sentidos, este proceso es similar al de soldadura por arco de tungsteno protegido con gas (GTAW). Una de las semejanzas consiste en el empleo de un electrodo de tungsteno, pero con la diferencia de que el electrodo esta alojado completamente dentro de la antorcha, en la cual se crea una cámara de gas alrededor del electrodo. El arco calienta al gas (argón) que se alimenta dentro de la antorcha hasta temperaturas a las cuales el gas se ioniza y puede conducir la electricidad. A este gas ionizado de le denomina plasma y sale de la boquilla de la antorcha a temperaturas aproximadas a 16.700ºC (20.000ºF).
Debido a que el electrodo no sobresale de la boquilla, el arco se inicia, no por contacto del electrodo con la pieza de trabajo (con el proceso GTAW), sino por medio de un arco piloto de baja corriente entre el electrodo y la boquilla constrictora. La energía del arco piloto normalmente es suministrada por una fuente separada dentro de la consola de control o por la fuente misma de energía de soldadura; el arco piloto por lo general es iniciado a trabes de una corriente alterna de alta frecuencia o por pulsos de corriente directa de alto voltaje superpuestos a la corriente de soldadura.
El termino arco constreñido (constricted arc) se refiere a una columna de arco plasma que es formada por el orificio de constricción o estrechamiento que tiene la boquilla de la antorcha de arco plasma. Los propósitos del empleo de arcos constreñido son: mayor contenido de energía, estabilidad del arco mejorada, mayor concentración del calor y mayor estabilidad en la dirección del chorro de plasma (ya que es afectada en menor grado por los campos magnéticos). Estos factores hacen que el proceso de arco plasma tenga ventajas, con respecto de los procesos que operan con arco abierto (GTAW, SMAW, GMAW y FCAW), tales como velocidades de soldadura mas altas y mayor penetración.
Figura 5.28 –Soldadura por Arco Plasma
Los dos modos de arco con que opera este proceso son arco trasferido y arco no transferido. En el primer modo, el arco se transfiere a la pieza de trabajo y esta forma parte del circuito eléctrico, de modo que el calor se obtiene de la parte de la pieza de trabajo que actúa como ánodo y el chorro de plasma. En el modo arco no trasferido, el arco se establece y mantiene entre el electrodo y el orificio de constricción de la boquilla, y el plasma del arco es forzado a pasar a través del orificio por el gas plasma; en este modo, la pieza de trabajo no es parte del circuito eléctrico y el calor de soldadura se obtiene únicamente del chorro de plasma. El modo arco transferido de emplea generalmente para soldar, mientras que el arco no transferido se usa para operaciones de corte, aunque también se emplea en aplicaciones en las cuales son concentraciones de energía.
Existen dos técnicas o modos de operar asociados con este proceso “en fusión” (melt-in) y “ojo de cerradura” (keyhole) el primero produce soldaduras similares a aquellas obtenidas con el proceso GTAW convencional y normalmente se usa para soldar desde espesores muy delgados, de 0.025 a 1.6 mm (0.001 a 0.62”), hasta espesores de alrededor de 1/4” (con corrientes de soldadura de 50 a 400 amperios). En el modo ojo de cerradura, el calor concentrado penetra parcial o total mente la pieza de trabajo, formando un orificio al lado de avance del charco de soldadura, y según avanza la fuente de calor, el material fundido llena el lado posterior del orificio para formar el cordón. La operación con este modo es posible en la mayoría de los metales base de espesores de 2,5 a 10mm (3/32” a 3/8”) y, en algunas aleaciones de aluminio y titanio, pueden soldarse espesores de hasta 19mm (3/4”), con un solo paso.
Métodos de aplicación
El método de aplicación más empleado para soldar con este proceso es el manual, principalmente cuando se sueldan metales base de espesor muy delgado (0,025 a 1,6mm) con el modo en fusión y con corrientes de 0,1 a 50 amperios, o con corriente relativamente alta (usualmente menor a 100 amperios) para soldar juntas a tope o traslape de espesores de 0.8 a 3.2mm (1/32 a1/8”). Cuando se requiere soldar manualmente con corrientes mayores de 50 amperios, el proceso GTAW resulta, en términos económicos y de habilidad la requerida del soldador, una mejor elección que el PAW.
El método mecanizado se emplea para soldar con los modos “en fusión” y “ojo de cerradura”; el primero de estos modos con frecuencia se usa en procedimientos de soldadura que involucran corrientes de unos 50 a 400 amperios.
Figura 5.29-equipo para soldadura por arco de plasma Equipo
Los principales componentes del equipo necesario para soldar manualmente con arco plasma son: fuente d energía de corriente directa, consola de control, unidad de control remoto de corriente, antorcha sistema de enfriamiento, suministros de gas plasma (orificio) y de protección y accesorios tales como los cables de conexión, interruptores, reguladores de gas inerte y medidores de flujo de gas. El equipo típico para soldadura mecanizada consta de la fuente de energía, unidad de control, generador de energía de alta frecuencia, suministros de gas de plasma y gas de protección, antorcha mecanizada y pedestal para la antorcha o un carro d desplazamiento, y puede incluir un dispositivo de control de voltaje de arco y sistema de alimentación de alambre. La figura 5.29 muestra el equipo típico de soldadura aplicada manualmente con este proceso.
Las fuentes de energía requeridas para soldar con este proceso son de corrientes directa y de voltaje variable (corriente constante), y pueden ser de corriente estable o de corriente pulsada, similares, en ambos casos, a aquellas empleada en el proceso GTAW. También, para soldar aluminio con el modo ojo de cerradura, se emplean fuentes de corriente alterna de onda cuadrada con la polaridad variable.
Aplicaciones ventajas y limitaciones
El proceso de soldadura por arco plasma puede considerarse como una extensión de GTAW, y todos los metales que se sueldan con este ultimo también pueden soldarse con PAW, pero con las ventajas asociadas con la mayor densidad de energías propias del arco de plasma, misma que resulta particularmente útil al soldar metales base de espesores muy pequeños con corrientes bajas
Se emplea ampliamente en las industrias de fabricación en general, en la nuclear y la aeroespacial, así como para soldar alabes de turbina y componentes de geometría intrincada que involucran las soldaduras pequeñas, tales como mallas de alambre, equipo medico, electrónico, y de instrumentación.
El modo “en fusión “(melt-in) con alta y baja corriente tiene las siguientes ventajas y limitaciones con respecto al proceso GTAW.
Ventajas:
1. La Concentración de energía es mayor, por lo que las velocidades de soldaduras son más altas en algunas aplicaciones y se requiere de corrientes menores para producir una soldadura dada, lo que reduce la contracción y distorsión hasta de un 50%.
2. El arco es más estable
3. La penetración puede controlarse por medio de las variables de soldadura.
4. Produce cordones más angostos en términos de la relación profundidad/ancho), lo que resulta en menor distorsión.
5. las variaciones moderadas en la separación entre antorcha y pieza de trabajo tienen poco efecto en la forma del cordón y en la concentración de calor en la parte a soldar, lo que impide que el electrodo o la antorcha toquen el charco de soldadura o el metal de aporte, elimina las posibilidades de contaminación con tungsteno y permite ahorros de tiempo de afilado del electrodo, además de que facilita la aplicación de la soldadura en todas las posiciones.
Limitaciones:
1. Ya que el arco constreñido es muy angosto, hay muy poca tolerancia para la mala alineación de las juntas. 2. Las antorchas manuales para soldadura por arco plasma generalmente son más difíciles de manipular que las
antorchas similares para arco de tungsteno.
3. El deterioro de la boquilla de construcción afecta la consistencia del nivel de calidad de las soldaduras. Las principales ventajas y limitaciones del arco plasma en el modo de ojo de cerradura, con respecto del arco de tungsteno protegido con gas se listan a continuación.
Ventajas:
1. La mayor penetración obtenida en la junta permite reducir el número de pasos requerido para una junta dada.
2. La zona de fusión simétrica de la soldadura reduce la tendencia a la distorsión transversal. 3. El gas plasma que fluye a través del ojo de cerradura abierto ayuda a evitar la porosidad.
4. En juntas a tope, en muchos casos permite el empleo de ranuras cuadradas, lo que ayuda a reducir tiempos de soldadura y costos de preparación de juntas.
Limitaciones:
1. El método de aplicación manual requiere mayor habilidad del soldador, especialmente al soldar espesores gruesos.
2. Los procedimientos de soldadura involucran un número mayor de variables, dentro de un intervalo de operación estrecho.
3. Aunque puede aplicarse en todas las posiciones, normalmente está restringido, con excepción de las aleaciones de aluminio, a la posición plana.
4. El deterioro de la antorcha afecta la conciencia del nivel de calidad de las soldaduras.
Variables específicas
Las principales variables de este proceso son aquellas relacionadas con las características eléctricas, con los gases de protección y de orificio y con la técnica. A continuación se describen brevemente algunas de estas variables.
Características eléctricas
Las principales variables asociadas con las características son los tipos de corrientes. Y la polaridad, la intensidad de la corriente, la longitud del arco y a los electrodos de tungsteno.
Para la mayoría de las aplicaciones de arco plasma se emplea corriente directa electrodo negativo (CDEN), con arco transferido y con electrodos de tungsteno puro o aleado con torio. La intensidad de corriente para soldar con CDEN oscila de 0.1 a unos 500 amperios. La corriente directa del electrodo positivo, debido a que provoca el calentamiento excesivo del electrodo, solo se utiliza de manera restringida para soldar aleaciones de aluminio con amperaje bajo, por lo general menor a 100 amperios.
La corriente pulsada frecuentemente se usa para soldar metales ferrosos, incluidos los aceros inoxidables, así como aleaciones de níquel y de titanio.
También se pueden soldar aleaciones de aluminio y magnesio con corriente alterna de onda sinusoidal con estabilización continua de alta frecuencia pero el intervalo de corriente está limitado entre unos 10 y 100 amperios, ya que las altas intensidades de corriente deterioran al electrodo de manera drástica durante el ciclo de la polaridad invertida. La corriente alterna de onda cuadrada de medios ciclos no balanceados de polaridad directa e invertida (arco plasma de polaridad variable), la cual no requiere de la estabilización con alta frecuencia, es muy eficiente para soldar aleaciones de aluminio y magnesio, por lo que ha desplazado con muchas ventajas el uso de la corriente alterna de onda sinusoidal.
En arco plasma, debido a la naturaleza columnar del arco constreñido, las variaciones en la longitud del arco, dentro de límites razonables, no tiene gran influencia sobre la entrada de calor en la pieza de trabajo ni en la intensidad del arco. En la soldadura con GTAW no sucede esto, ya que el arco tiene forma cónica y pequeñas variaciones en la longitud del arco provocan grandes cambios en la transferencia de calor por unidad de área en la pieza de trabajo. El chorro de plasma colimado de forma esencialmente cilíndrica permite, con respecto a GTAW, una mayor distancia de la antorcha a la pieza de trabajo, lo que representa una ventaja desde el punto de vista de la habilidad del soldador para manipular la antorcha.
Gases
Los gases a usar dependen del metal a soldarse y su espesor, así como de la técnica (en fusión u ojo de cerradura) a emplear. Para muchas aplicaciones, en particular cuando se emplean altas intensidades de corriente, el gas de protección es el mismo que el de orificio.
El gas de orificio, con respecto del electrodo, debe de ser inerte a fin de evitar se deterioro, y para la protección, los gases normalmente son inertes, aunque pueden usarse gases activos si éstos no afectan las propiedades de la soldadura.
Para la soldadura de arco plasma con bajas corrientes se prefiere el árgon como gas e orificio, ya que su bajo potencial de ionización de arco confiable. Para soldar con corrientes altas, como gases de orificio por lo general se emplean, dependiendo del metal a soldar, de su espesor y la técnica, argón o mezclas de argón y helio. El argón es el gas de orificio más empleado para soldar aceros simples al carbono y de baja aleación con la técnica de ojo de cerradura.
Los gases de protección para soldar diferentes aleaciones ferrosas y no ferrosas con corrientes bajas son el argón, el helio, mezclas de argón y helio y mezclas de argón e hidrogeno (por lo general de 1 a 5% de hidrogeno), y para los aceros simples al carbono de baja aleación e inoxidables, así como metales reactivos tales como el titanio, tantalio y el circonio se prefiere el uso de argón. Debido a que el gas de protección no entra en contacto con el electrodo de tungsteno, algunas veces se emplea dióxido de carbono o mezclas de argón y dióxido de carbono como gas de protección.
Cuando se sueldan metales reactivos, entre las variables asociadas con los gases, también deben tenerse en cuenta el gas de respaldo (backing gas) y el de arrastre o seguimiento (training gas); en términos generales, las consideraciones hechas al respecto para la soldadura con GTAW también son aplicables para el proceso de arco plasma.
Consumibles, especificaciones y clasificaciones
Los electrodos de tungsteno y los metales de aporte, con excepción de las varillas sólidas y compuestas para recubrimientos de soldadura (AWS A 5.13 y A5.21), varillas tubulares de acero inoxidable (AWS A5.22) e insertos consumibles (AWS A5.30) que se emplean en arco plasma, son los mismos que los que se utilizan en GTAW, por lo que el lector puede remitirse a tal sección para consultar las especificaciones y clasificaciones aplicables.