Introducción
El proceso de soldadura por arco de plasma, también conocido como PAW (Plasma Arc Welding), es aquel en el que la fusión de metales es provocada por un arco eléctrico constrictor, establecido entre un electrodo de tungsteno y la pieza de trabajo. El Plasma que da nombre a este proceso se refiere al gas que se ioniza.
Al igual que con el proceso TIG, el electrodo de tungsteno no es consumible. El arco se llama constreñido porque está limitado por una boquilla que restringe el diámetro del arco y aumenta la intensidad de la fuente de calor.
Este arco está rodeado por una atmósfera protectora proporcionada por dos corrientes de gas. Primero, el gas de plasma rodea el electrodo de tungsteno no consumible, formando el núcleo del arco de plasma. Este gas, que normalmente es argón, sale de la boquilla constrictora en forma de chorro muy caliente, llamado plasma.
El segundo es el gas de protección que evita la contaminación del baño de soldadura. Este gas pasa por una tobera externa, concéntrica a la tobera constrictora, y funciona como escudo; este gas puede ser inerte o una mezcla de gases inertes.
Diferencias entre TIG y Plasma
La soldadura por plasma es un proceso muy similar al TIG. Básicamente, es una modificación destinada a aumentar la productividad.El proceso de soldadura por arco de plasma es muy similar al proceso TIG en que utiliza electrodos no consumibles y gases inertes. Las diferencias están en el tipo de soplete y el voltaje del arco eléctrico utilizado, además de los recursos requeridos por la fuente de energía (también conocida como máquina de soldar).
Es importante señalar que los dos procesos presentan regiones con las mismas temperaturas máximas; sin embargo, la constricción del arco provoca un cambio sustancial en la concentración de calor en la superficie de la pieza, haciéndola más favorable al proceso de soldadura.
Usos
El proceso de arco de plasma se utiliza para unir la mayoría de los metales que se pueden soldar mediante el proceso TIG. Por lo tanto, los aceros al carbono, los aceros aleados, los aceros inoxidables, las aleaciones refractarias y las aleaciones de titanio se sueldan convenientemente mediante este proceso.También se puede aplicar en espesores de 0,02 a 6 mm, de forma económica. Para espesores de 2,4 a 6 mm se utiliza la técnica de soldadura conocida como "keyhole".
Sin embargo, la mayor aplicación industrial del proceso de soldadura por plasma reside en la fabricación de equipos de acero inoxidable, con placas de espesor medio (3 a 8 mm) y aquellos que requieren hilos largos, como tanques y reactores para la industria química y de bebidas.
También se reporta la aplicación en la industria aeroespacial, en la soldadura de aleaciones especiales de aluminio. Aunque menos común, el proceso Plasma se puede aplicar a uniones de acero al carbono, como soldar la parte superior de los amortiguadores destinados a la industria automotriz.
Como otros ejemplos de aplicación se pueden mencionar la fabricación de radiadores, la soldadura de puntos críticos en motores de automóviles y la soldadura de componentes eléctricos, como láminas para transformadores y alternadores.
El campo de aplicación de este proceso se extiende a la soldadura de compresores y otros componentes para la línea blanca, además de ejes y componentes estructurales para vehículos a motor, lo que incluiría la fabricación de los denominados “tailored blanks”.
El término "piezas a medida" se refiere a paneles formados por varias láminas de acero soldadas entre sí como una "colcha de retazos" (cada parte puede tener diferentes espesores y propiedades mecánicas).
En general, la aplicación del proceso Plasma se vuelve más común en soldaduras de alta producción, cuando las desventajas relacionadas con el costo son superadas por las ventajas intrínsecas del proceso.
Beneficios
Las ventajas del proceso de soldadura por arco de plasma, en relación con el proceso TIG u otros procesos de soldadura convencionales, son: mayor concentración de energía y densidad de corriente, consecuentemente, menores distorsiones, mayores velocidades de soldadura y mayores penetraciones; mayor estabilidad del arco a bajos niveles de corriente, permitiendo soldar espesores finos, a partir de 0,05 mm; el arco es más homogéneo y de mayor extensión, lo que permite una mejor visibilidad operativa, una mayor constancia del baño de soldadura y una menor sensibilidad a las variaciones de longitud del arco; menos probabilidad de contaminación del cordón por inclusiones de tungsteno y contaminación del electrodo por material de relleno.Una de las grandes ventajas del proceso Plasma, especialmente en lo que respecta a la logística (operaciones de compra, transporte y stock de materiales), es la posibilidad de eliminar el uso de alambre (metal de aporte).
Debido a la intensidad y concentración del arco (calor), es posible soldar chapas de hasta 10 mm de espesor en una sola pasada. Al proceso Plasma también se le atribuye una mayor tolerancia a la variación de la longitud del arco (distancia del soplete desde la pieza a soldar) y una mayor eficiencia térmica de fusión, lo que resulta en soldaduras de menor volumen con niveles más bajos de tensiones residuales o distorsiones.
Estas ventajas, junto con otras características positivas, han puesto al proceso de soldadura por plasma en competencia directa con otros procesos convencionales, no solo con TIG, sino incluso con MIG/MAG, en varias aplicaciones.
Limitaciones
Es importante señalar que este proceso tiene una complejidad operativa inherente. Existe un requisito para una mejor preparación conjunta (menor tolerancia) y un mayor dominio del ajuste de parámetros. El requerimiento de menor tolerancia en la preparación y fijación de las piezas de unión orienta este proceso hacia líneas automatizadas, como se observa en la Figura siguiente.Otra desventaja es el suministro limitado de sistemas de soldadura por plasma y el costo relativamente alto de estos equipos, especialmente en comparación con el proceso TIG.
Desventajas
Las desventajas del proceso de soldadura por arco de plasma son:- Alto costo de equipo (dos a cinco veces más que TIG);
- Mantenimiento de la antorcha costoso y más frecuente;
- Mayor consumo de gases;
- Demanda de mayor cualificación de la mano de obra.
Puntos importantes
Los puntos críticos para la difusión de la soldadura por plasma se deben, en parte, a la falta de información consolidada sobre la regulación de los parámetros de soldadura y sobre los materiales realmente soldables.Sin embargo, a pesar de ser conocido desde hace años a través de la literatura clásica, el proceso Plasma aún no encuentra gran aplicación en el entorno industrial, especialmente en países donde el desarrollo industrial aún es creciente, como Brasil. Sin embargo, en Alemania este proceso ha sido ampliamente utilizado en aplicaciones específicas porque es más eficiente que otros procesos de arco.
Una de las explicaciones del fracaso inicial de la soldadura por plasma puede ser la forma en que se introdujo el proceso en el mercado; la expresión “Plasma Welding” trajo a la mente de los usuarios un proceso complejo con alta tecnología añadida. Desde un punto de vista de "marketing", el uso de la palabra Plasma para describir una modificación del proceso TIG puede haber dañado su receptividad.
El proceso Plasma quizás hubiera tenido mejor acogida en el mercado si se hubiera presentado como una nueva versión del proceso TIG y no como un proceso más. Al introducir un nuevo proceso, es importante relacionarlo con las necesidades del usuario final.
Los fabricantes de equipos deberían haber divulgado el potencial de aplicación del nuevo proceso y las ventajas sobre los procesos convencionales. En la historia del proceso de plasma, hubo una tendencia por parte de los proveedores de equipos a proporcionar mucha información sobre cómo funcionaba el proceso y poca información sobre lo que el proceso era capaz de hacer.
Fundamentos
El plasma es un elemento importante en la soldadura por arco de plasma. Se acostumbra pensar en tres estados de la materia: sólido, líquido y gaseoso. El elemento más conocido, el agua, tiene tres estados físicos: hielo, agua y vapor; la diferencia básica entre estos tres estados es el nivel de energía en el que se encuentran.Cuando se agrega energía en forma de calor al hielo, se convierte en agua, que, cuando se somete a más calor, se vaporiza. Si se añade más energía, algunas de sus propiedades, como la temperatura y las características eléctricas, se verán sustancialmente modificadas. Este proceso se denomina ionización, es decir, la creación de electrones e iones libres entre los átomos del gas.
Cuando esto sucede, el gas se convierte en un plasma eléctricamente conductor, es decir, los electrones libres transmiten corriente eléctrica. Es por esto que el plasma es considerado el cuarto estado de la materia.
El mismo hecho se puede observar en el plasma: cuanto menor es la sección, mayor es la temperatura.
La soldadura por arco de plasma se realiza mediante dos técnicas de trabajo, que son la fusión y la técnica denominada “keyhole”.
Fusión
La soldadura por fusión, similar a otros procesos de arco, generalmente se emplea en la soldadura manual con una o más pasadas, con corrientes de soldadura bajas y bajo flujo de gas. Es posible agregar metal de aporte al baño de soldadura, en forma de varilla."Ojo de la llave"
En la técnica del "ojo de cerradura", el chorro de plasma realiza un pequeño orificio en la región de la articulación; este orificio se amplía con el movimiento de la antorcha y, durante el desplazamiento, el metal fundido por el arco se mueve alrededor del plasma, formando el baño de soldadura; esto cierra el hueco en la región y solidifica, soldando la junta.¿Por qué argón?
Se ha preferido el argón en la soldadura de baja corriente debido a su mayor potencial de ionización. Favorece una mejor limpieza de las capas de óxidos metálicos reactivos y facilita la apertura del arco eléctrico. Se utiliza en el trabajo con aceros al carbono, aceros de alta resistencia y metales reactivos como el titanio y el zirconio.Se pueden aplicar otros gases inertes, como helio puro o mezclado con argón, pero estos requieren voltajes más altos para encender el arco. El uso de helio (He) desarrolla más energía en el plasma, por lo que el enfriamiento de la boquilla del orificio debe ser muy eficiente.
También se utilizan mezclas de argón e hidrógeno para plasma, con la ventaja de que el hidrógeno tiene un carácter reductor y la capacidad de aumentar la composición del arco, reduciendo el riesgo de socavaduras y aumentando la velocidad de soldadura.
Equipo de soldadura
La soldadura por arco de plasma se puede realizar manualmente o con máquinas, con algunas adaptaciones. Ambos procesos son ampliamente utilizados y se pueden utilizar en cualquier posición. El equipo consta de fuente de alimentación, sistema de cebado de arco, soplete de plasma, cilindros de gas y sistema de control.Fuente de alimentación
La fuente de energía utilizada es de corriente constante, la cual puede ser un rectificador, generador o inversores, utilizando corriente continua y polaridad directa. Las fuentes de soldadura por plasma se diferencian de las de corte, porque al momento de cortar el equipo, la tensión en vacío del equipo debe ser superior a 200V. Se pueden adaptar fuentes con tensión en vacío entre 65V y 80V para soldadura con la colocación de sistemas de apertura de arco piloto, pre y postflujo.Generador de alta frecuencia
Para abrir el arco, se usa un generador de alta frecuencia para establecer un arco piloto. En el caso de trabajar con arco transferido, generalmente se utiliza el arco piloto, que requiere una fuente de energía auxiliar de baja capacidad para su alimentación.Antorcha
La antorcha sirve para fijar el electrodo de tungsteno y dirigir el arco eléctrico; está provisto de un mango para el manejo de la soldadora, un juego de abrazaderas para la fijación del electrodo, conductos para el paso de gas y agua de enfriamiento, una boquilla de cobre con un orificio para la constricción del arco eléctrico y una boquilla de cerámica para aislamiento y protección del operador.
En una antorcha de plasma, la punta del electrodo se recoge en una boquilla, a través de la cual fluye el plasma. El gas se ioniza al pasar por el arco eléctrico formando plasma, que es la disociación de las moléculas en átomos y estos en iones y electrones.
El gas calentado en el interior de la tobera sufre un gran aumento de presión y, al tener que salir por un pequeño orificio, adquiere altas velocidades, del orden de 6 km/s, acentuando el fenómeno de disociación.
Algunas antorchas tienen solo un orificio central para que pase el gas y el arco; otros tienen otros orificios para el paso de gas auxiliar, lo que permite mayores velocidades de soldadura.
Cilindros de gas
Los cilindros de gas son las fuentes de gas ionizable y gas de protección; están provistos de reguladores de presión y caudal y mangueras. El control del flujo de gas debe ser muy preciso, ya que esta es una variable importante en el proceso.Sistema de control
El sistema de control existe para permitir el ajuste de las variables de soldadura y la activación de equipos y dispositivos auxiliares, cuando se trata de soldadura mecanizada. Estos dispositivos son similares a los que se utilizan en la soldadura TIG, es decir, alimentadores de alambre, sistemas de movimiento, arco oscilante, entre otros.Soldadura manual y mecanizada
En la soldadura manual, el metal se deposita por goteo, agregándose con una mano mientras que con la otra se controla el baño de soldadura. En la soldadura mecanizada, la bobina de alambre se coloca en un alimentador automático con velocidad constante. El sistema automático se utiliza cuando la corriente de soldadura supera los 100 A; también se puede aplicar cuando el hilo es precalentado por efecto Joule, debido al paso de una corriente eléctrica a través de él, antes de llegar al baño de soldadura.Tipos de consumibles y funciones
Los consumibles utilizados en la soldadura por arco de plasma son: metal de aporte, gas de ionización (plasma) y gas de protección. El electrodo de tungsteno no se considera consumible pero también se desgasta con el tiempo.- El metal de aporte tiene la función de introducir material de relleno y facilitar la unión.
- El plasma tiene la función de proporcionar un medio para la transferencia de electrones del electrodo a la pieza de trabajo (o viceversa)
- El gas de protección tiene la función de proteger el baño de fusión de la contaminación por el aire atmosférico.
Preparación y limpieza de juntas.
La preparación y limpieza de juntas para soldadura Plasma requiere todos los cuidados necesarios para la soldadura TIG, con especial atención a:- La limpieza del chaflán y cantos debe ser al metal brillante, en un rango de 10 mm, en la cara interior y exterior.
- Cuando se deposite la raíz de soldadura, se debe utilizar protección, mediante gas inerte, en el otro lado de la pieza. Este gas inyectado en la raíz de la junta se llama Purga. Para aceros al carbono, no se requiere protección.
discontinuidades inducidas
El inspector de soldadura debe tener en cuenta que, debido a las similitudes con el proceso TIG, el proceso PAW puede generar los mismos tipos de discontinuidades.Al igual que con TIG, el proceso PAW no genera escoria.
Consideraciones de seguridad
La forma de arco entre el electrodo de tungsteno y el baño de soldadura está formada por un gas inerte. Como el metal de aporte se agrega directamente al baño de soldadura, el metal no pasa a través del arco, por lo que hay una emisión de humo considerablemente menor.En el caso de soldar aluminio o acero inoxidable, se pueden generar niveles inaceptables de ozono. Por ello, es necesario prever los medios para su retirada del entorno de trabajo. También hay que tener cuidado con los campos eléctricos y magnéticos que se generan.
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Citación
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Luz, Gelson. ¿Qué es la soldadura por plasma?. Blog de Materiales. Gelsonluz.com. dd mmmm aaaa. URL.
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