Proceso en el que se emplea uno o más arcos entre el o los electrodos metálicos desnudos y el arco de soldadura. El arco y el metal fundido se protegen por medio de una capa de fundente granular sobre las piezas de trabajo; no se aplica presión y se emplea metal de aporte de alambre (electrodo) y algunas veces de fuentes adicionales, tales como varilla o metal granulado. En la siguiente figura se muestra de manera esquemática este proceso.
1- ELECTRODO 6- ESCORIA SOLIDA
2- ARCO 7- METAL DE SOLDADURA SOLIDO
3- FUNDENTE 8- CHARCO DE METAL DE SOLDADURA
4- ESCORIA FUNDIDA 9- METAL BASE
5- ESCORIA SOLIDIFICANDO
Figura 5.30- Proceso de Soldadura por Arco Sumergido (SAW)
Al iniciarse la operación de soldadura, el extremo de alambre (electrodo) toca la pieza de trabajo, el fúndete granular procedente de la tolva cubre el área a soldar y se inicia el arco. El electrodo se alimenta a velocidad controlada por medio de un alimentador de alambre y el fundente también sigue adicionándose durante toda la operación, de manera que el alambre, el arco y el charco d soldadura siempre permanecen cubiertos por el fundente, por lo que el arco no es visible y la soldadura se realiza sin la radiación intensa característica de los procesos de arco abierto, y genera muy poco humo.
Aunque el fundente líquido puede conducir algo de corriente entre el alambre y el metal base y generar calor debido a la resistencia eléctrica, la principal fuente de calor la suministra el arco, el cual progresivamente funde una parte del fundente, el extremo del alambre y los bordes adyacentes del metal base debajo de la capa de escoria líquida. El metal fundido cercano al arco está en un estado de alta turbulencia y las burbujas de gas que pudieran generarse son arrastradas rápidamente hacia la superficie del charco d soldadura.
El fundente o escoria líquida flota sobre el metal fundido y protege de la atmósfera a la zona de soldadura, disuelve las impurezas del metal base y del electrodo y las hace flotar sobre la superficie. El fundente también puede adicionar o remover algunos elementos de aleación. Cuando el metal de soldadura y el fundente líquidos solidifican, se forman el cordón, y una capa de escoria protectora, respectivamente.
El desplazamiento se realiza manual o mecánicamente a lo largo de la junta o bien, las piezas de trabajo se pueden desplazar por debajo de un alimentador estacionario de alambre.
Además de la proteger al arco y al charco de soldadura, la escoria evita que el cordón solidificado- pero aún caliente- se oxide y enfríe bruscamente, suministra agentes limpiadores, estabiliza al arco e influye en la forma de los cordones. Otras funciones del fundente, dependiendo de su tipo son: proporcionar agentes desoxidantes y elementos de aleación y ayuda a controlar el tamaño del grano y la composición química, así como algunas propiedades de los depositas de soldadura, tales como resistencia a la tensión y al impacto.
Por su parte, las funciones del electrodo son las de suministrar el metal de aporte necesario, conducir la energía eléctrica y en cierta medida, proporcionar elementos de aleación y agentes limpiadores y desoxidantes.
La soldadura con arco sumergido puede realizarse con muchas variantes para cubrir las necesidades impuestos por los requisitos de calidad o producción: se presta a una gran variedad de combinaciones de fundentes y electrodos para proporcionar las propiedades mecánicas y composición química requeridas, y puede aplicarse con fuentes de corriente alterna y directa, con voltaje constante y con voltaje variable, con un solo electrodo o con varios, y éstos, pueden estar conectados a una misma fuente de energía o cada uno a una fuente independiente.
Además de la aplicación típica que incluye una fuente de poder y un solo electrodo, existen los siguientes arreglos:- sistemas de alambres múltiples (múltiple wire systems), los cuales combinan dos o más alambres que se alimentan al mismo charco. Un alambre debe transportar corriente y el otro o los otros pueden transportarla o no (cold filler), y pueden estar conectados a una o mas fuentes, mismas que pueden ser de corriente alterna o corriente directa, o una combinación de ambas.
-Electrodos gemelos (twin electrodes o twin arc). Es una configuración en la cual dos electrodos conectados a una fuente única se alimentan al mismo charco de soldadura con un solo alimentador de alambre. Este arreglo normalmente se emplea con corriente directa electrodo positivo.
-arco sumergido con arcos tándem (tandem arc SAW). Esta configuración consiste en un electrodo guía y uno o más electrodos de seguimiento alimentados a un mismo charco de soldadura mediante fuentes y alimentadores independientes.
Existen dos arreglos básicos: en uno el electrodo guía se conecta una fuente de corriente directa electrodo positivo y los otros a fuentes de corriente alterna, mientras que en el segundo, todos los electrodos operan con corriente alterna.
Adicionalmente, existen otras variantes tales como la soldadura de ranuras angostas que se aplica para soldar metales base de espesores gruesos –de 51mm (2”) y mayores-,adiciones de alambre que si transporta corriente (hot wire addition) y adiciones de polvo metálico (metal powder addition).
Métodos de aplicación
La soldadura por arco sumergido puede aplicarse con los métodos semiautomático mecanizado y automático.
En el método de aplicación semiautomática la soldadura se hace mediante una pistola, que el soldador sostiene con la mano, que suministra el fundente y el electrodo. El primero se adiciona por gravedad desde una tolva montada en la pistola o se alimenta a presión a través de una manguera, y el electrodo es provisto mediante un alimentador de alambre. Este método no se aplica a gran escala y esta limitado a velocidades moderadas, por lo general de 20 a 115 cm. /minuto (9 a 45 pulgadas/minuto) y a electrodos de diámetros relativamente pequeños. Los diámetros de
electrodo empleados en soldadura semiautomática son de 1.6, 1.98 y 2.4 mm (1/6”, 5/64” y 3/32”) e involucran corrientes de soldadura unos 200 a 600 amperios.
El método mecanizado es el que más se usa, aunque también tiene una gran aplicación el automático. La soldadura mecanizada y la automática normalmente se realizan con electrodos de 3.2 a 4.76mm (1/8” a 3/16”) de diámetro, aunque se suelen usar diámetros hasta de 6.35mm (1/4”) con corrientes máximas de 1600 amperios y para algunas aplicaciones, velocidades hasta de 508cm/minuto(200 pulg./min).
Equipo
El equipo típico de soldadura requerido para este proceso consta de una o mas fuentes de energía, sistemas de control del proceso, de alimentación de alambre y de suministro de fundente, y los equipos automáticos y
mecanizados y aun algunos semiautomáticos, incluyen un dispositivo para el desplazamiento. El equipo opcional está compuesto por sistemas para la recuperación de fundente y para la manipulación y el posicionamiento.
Figura 5.31- Equipo de Soldadura para el Proceso de SAW
Para soldar con arco sumergido son adecuados varios tipos de fuente de energía, pero para la aplicación dada, la fuente debe seleccionarse considerando algunos factores, ya que esta juega un papel importante desde el punto de vista operacional. Se pueden usar motores rectificadores o moto-generadores que suministran corriente directa de voltaje constante o de corriente constante, y también se utilizan maquinas de corriente alterna.
Las fuentes de voltaje constante se emplean con el método de aplicación semiautomático, mismo que involucra electrodos de diámetros de 2.4 mm (3/32”) y menores, aunque también se emplean para soldadura mecanizada y automáticas con alambres de diámetros mayores y con corrientes de 300 a 1000 amperios.
Debido a que la soldadura con corriente directa provoca soplos de arcos severos cuando se emplean amperajes altos, su uso esta limitado a intensidades de 1000 amperios. Este tipo de fuentes es adecuado para soldar aceros de espesor delgado a altas velocidades.
Las fuentes de corriente constante son adecuadas para soldar con corrientes hasta 1500 amperios y se pueden usar satisfactoriamente para las mismas aplicaciones que las fuentes de voltaje constante, con excepción de la unión de aceros de espesores delgados a altas velocidades. A diferencia de las fuentes de voltaje constante, las de corriente constante no son autoreguladas, por lo que se usan con un control que ajusta la velocidad de alimentación de alambre para compensar los cambios en el voltaje del arco y mantener constante su longitud.
Las fuentes de corriente alterna que más se emplean son los transformadores de corrientes constantes, mismos que también requieren de controles de velocidad variable de alimentación de alambre. También se utilizan fuentes de corriente alterna de voltaje constante de onda cuadrada con controles de velocidad constante de alimentación de alambre.
Aplicaciones, ventajas y limitaciones
El arco sumergido se emplea en una gran variedad de aplicaciones industriales, entre las que se puede mencionar la fabricación de recipientes a presión, carros de ferrocarril, tuberías y miembros estructurales que requieren soldaduras de gran longitud, también se emplea ampliamente para hacer depósitos de recubrimientos duros e inoxidables.
Los espesores típicos que se sueldan normalmente oscilan de 1.5 a 5.1mm y los metales base a los que se aplica son: aceros simple al carbono, aceros de alta resistencia, y baja aleación en condición de laminación, o tratamientos térmicos de normalizado.
Las principales ventajas y limitaciones asociadas con este proceso se indican a continuación. Ventajas:
- Alta penetración en las juntas cuando se suelda con corriente directa y el electrodo positivo.
- Debido a la lata penetración, pueden soldarse a tope y con ranura cuadrada, placas de acero de espesores hasta de 13 mm (1/2”) con un solo paso y con electrodo sencillo, y hasta de 19 mm (3/4”) soldando por los dos lados, con un paso por lado y con electrodo sencillo, lo que reduce grandemente los trabajos, tiempos y costos relacionados con la preparación de soldadura.
- Aunque se emplean intensidades de corrientes elevadas, debido a que también las velocidades involucradas son altas y parte del calor se emplea para fundir el fundente, el calor aportado y la distorsión resultan relativamente moderados.
- Requiere poco entrenamiento y habilidad manual por parte del soldador y del operador. - Permite obtener cordones de muy buena apariencia y de perfiles y tamaños uniformes.
Limitaciones:
- Prácticamente esta limitado a la posición plana y para filetes en posición horizontal. - El equipo es relativamente costoso.
- El uso de fundentes activos y aleados requieren que los procedimientos de soldadura sean rigurosamente controlados, ya que variaciones pequeñas en el voltaje, el amperaje o la velocidad, pueden provocar cambios grandes en la composición química y en las propiedades mecánicas del metal depositado.
- En soldaduras de pasos múltiples es necesario remover la escoria a fin de evitar inclusiones.