Soldadura por arco de plasma: Las ventajas de la soldadura PAW

PAW es un proceso de soldadura por arco que utiliza un electrodo de tungsteno o de aleación de tungsteno no consumible, muy parecido al GTAW.

La soldadura por arco de plasma (PAW) a menudo se pasa por alto cuando se debe seleccionar un proceso de soldadura por fusión para aplicaciones de alta integridad, como las que se encuentran en las industrias médica, electrónica, aeroespacial y automotriz.

Este proceso se ha pasado por alto porque es más complejo y requiere equipos más costosos que otros procesos de arco y porque los soldadores quieren mayores velocidades de soldadura, como las que se encuentran con la soldadura por rayo láser (LBW). Sin embargo, los fabricantes de automóviles han recurrido a PAW para una serie de aplicaciones, incluidos paneles de carrocería y componentes del sistema de escape.

La soldadura por arco de tungsteno con gas (GTAW), también conocida como soldadura con gas inerte de tungsteno (TIG), se usa comúnmente para soldaduras de alta calidad a velocidades más lentas, mientras que LBW a menudo se selecciona para soldaduras de mayor velocidad.

A veces, PAW ofrece una mayor velocidad de soldadura que GTAW a un costo menor que LBW y puede ser el proceso más efectivo para muchas aplicaciones. Estos incluyen la soldadura de fuelles expandibles de acero inoxidable, donde PAW es más tolerante a la desalineación de las juntas que LBW y proporciona una mejor penetración que GTAW; soldar aceros revestidos como los utilizados en los sistemas de escape de automóviles; y soldar en modo de ojo de cerradura para realizar soldaduras de penetración total en material relativamente grueso en una sola pasada.

PAW es un proceso de soldadura por arco que utiliza un electrodo de tungsteno o de aleación de tungsteno no consumible, muy parecido al GTAW.

La principal diferencia entre estos dos procesos de soldadura es que en PAW, el electrodo está empotrado en una boquilla que sirve para restringir el arco. El gas de plasma se ioniza en la boquilla de constricción y sale de la boquilla a alta velocidad.

El gas de plasma por sí solo no es adecuado para proteger el baño de soldadura fundida de la atmósfera, por lo que se suministra gas de protección alrededor de la columna de plasma, como ocurre con el GTAW. El caudal del gas plasma es mucho menor que el del gas protector para minimizar las turbulencias.

La forma cónica de un arco de tungsteno con gas requiere que se utilicen equipos de control de la longitud del arco (ALC) o de control de voltaje del arco (AVC) para la soldadura automatizada para garantizar un tamaño de punto y una densidad de energía consistentes.

El arco restringido en PAW da como resultado un arco mucho más en forma de columna. Esto minimiza el efecto de la variación de la longitud del arco sobre la densidad de energía y minimiza la necesidad de ALC o AVC.

Otra ventaja de empotrar el electrodo en una boquilla es que se minimiza la contaminación del electrodo. Por lo general, un electrodo puede durar todo un turno de producción sin necesidad de volver a rectificarlo.

Otra característica única de PAW es cómo se inicia el arco. Normalmente se utiliza corriente de alta frecuencia (HF) para establecer un arco piloto entre el electrodo y la boquilla de cobre. HF se apaga después de que se inicia el arco piloto. La corriente del arco piloto generalmente se fija en un nivel o se puede configurar en uno de dos niveles, generalmente entre 2 y 15 amperios.

Para la soldadura, el arco se transfiere a la pieza de trabajo, que pasa a formar parte del circuito eléctrico. Debido a que el arco se establece antes de realizar una soldadura, el inicio del arco de soldadura tiende a ser muy confiable.

El arco piloto permanece encendido después de completar la soldadura y la antorcha está lista para realizar la siguiente soldadura sin necesidad de HF adicional. Esto puede resultar beneficioso al soldar en aplicaciones automatizadas en las que el ruido electromagnético de HF puede interferir con los controladores de procesos computarizados. Un efecto secundario del arco piloto es que las antorchas de plasma deben enfriarse con agua, incluso para aplicaciones de baja corriente.

Hay tres modos de funcionamiento diferentes para PAW que están determinados por el nivel de corriente de soldadura. La corriente de soldadura por microplasma varía desde menos de 0,1 amperios hasta aproximadamente 20 amperios.

La soldadura por plasma de corriente media o la corriente en modo de fusión generalmente oscila entre 20 y 100 amperios. La alta corriente de soldadura por plasma es superior a 100 amperios y normalmente se realiza en modo de ojo de cerradura, similar a la soldadura LBW o por haz de electrones (EBW).

La combinación de alta corriente y flujo de gas plasma crea un agujero en el material, y el metal fundido fluye detrás del agujero móvil para crear el cordón de soldadura. Al soldar en modo de ojo de cerradura, el caudal de gas plasma se debe controlar cuidadosamente para realizar una soldadura. Un caudal ligeramente mayor expulsará el metal fundido y provocará un corte.

Si bien PAW no es tan rápido como LBW (según la aplicación y la fuente láser, LBW puede ser cinco veces más rápido que PAW) o EBW, los costos de capital de equipo para PAW suelen ser una pequeña fracción del costo del equipo de alta densidad de energía. .

Una desventaja de PAW es su mayor aporte de calor, lo que produce soldaduras más amplias y zonas afectadas por el calor que LBW y EBW. Esto puede resultar en una mayor distorsión y pérdida de propiedades mecánicas.

Sin embargo, PAW ofrece una ventaja sobre estos procesos en cuanto a tolerancia a espacios y desalineaciones en las articulaciones. Aunque el arco es estrecho, la columna de plasma tiene un diámetro significativamente mayor que los haces. La adición de metal de aportación también se logra más fácilmente con PAW que con LBW o EBW.

Las principales desventajas de PAW en comparación con GTAW son que el equipo es más complejo y costoso, y la necesidad de enfriar la antorcha con agua limita el tamaño de la antorcha (las antorchas GTAW pueden enfriarse con gas y adaptarse a áreas más pequeñas). Además, el arco PAW estrecho es menos tolerante a la desalineación de las articulaciones que el arco cónico de gas tungsteno.

Microplasma ofrece una ventaja sobre GTAW porque se puede mantener un arco estable a niveles de corriente más bajos. Esta fue una fuerza impulsora en el desarrollo de este proceso.

A principios de la década de 1960, era difícil conseguir un arco de gas de tungsteno estable a mucho menos de 15 amperios. Microplasma demostró ser capaz de superar esta limitación. GTAW ha evolucionado considerablemente desde entonces con afirmaciones de arcos estables a menos de 1 amperio.

Pero PAW tiene un límite actual más bajo, aproximadamente una décima parte del de GTAW. La capacidad de baja corriente, junto con el arranque confiable del arco, hace que PAW sea adecuado para muchas aplicaciones pequeñas de soldadura de precisión, especialmente en las industrias médica y electrónica.

GTAW y LBW también se utilizan en las industrias médica y electrónica. GTAW se utiliza para aplicaciones de menor volumen debido al bajo costo del equipo y su relativa simplicidad. El LBW se utiliza cuando una producción de mayor volumen puede justificar el gasto, cuando se debe minimizar el aporte de calor y cuando el ajuste de las juntas se puede controlar estrictamente.

Usar PAW en el rango de corriente media en modo fundido es similar a usar GTAW, pero el arco tiende a ser más rígido y menos afectado por los cambios en la longitud del arco con PAW.

Esto permite utilizar longitudes de arco más largas y, combinado con el electrodo empotrado, puede facilitar la adición de metal de aportación al soldar manualmente. La contaminación del electrodo por el metal de aportación rara vez ocurre con PAW.

El modo de fusión PAW puede ser beneficioso en comparación con GTAW en aplicaciones automatizadas debido a un inicio de arco más confiable, una mayor vida útil del electrodo, la ausencia de necesidad de AVC o ALC y la ausencia de ruido electromagnético de HF al inicio de cada soldadura.

PAW ofrece una ventaja significativa sobre GTAW en muchas aplicaciones que requieren alta corriente. Realizar soldaduras con PAW en modo de ojo de cerradura puede dar como resultado soldaduras de penetración total en materiales relativamente gruesos en una sola pasada.

En comparación con la soldadura de secciones más gruesas con GTAW, el Keyhole PAW minimiza la necesidad de una costosa preparación de las juntas y reduce o elimina la necesidad de metal de aportación.

La alta relación profundidad-ancho de una soldadura por plasma en forma de cerradura en comparación con una soldadura GTA también puede reducir en gran medida la distorsión angular. Esta técnica se aplica mejor utilizando equipos automatizados. El ojo de la cerradura puede resultar difícil de mantener durante la soldadura manual.

La mayoría de los materiales se pueden soldar con PAW utilizando electrodo negativo de corriente continua (DCEN). La corriente de soldadura CC también se puede pulsar para controlar la penetración tanto en el modo de fusión como en el modo de ojo de cerradura.

Las fuentes de energía para soldadura por arco de plasma de polaridad variable (VPPA) mejoran la unión de materiales como el aluminio y el magnesio. La forma de onda cuadrada de VPPA se puede adaptar de modo que la porción positiva del electrodo de cada ciclo que limpia los óxidos superficiales tenaces se pueda equilibrar con la porción negativa del electrodo que proporciona más penetración.

PAW también se puede combinar con GTAW de varias maneras para soldadura automatizada para optimizar la velocidad y la calidad de la soldadura.

Un ejemplo de esto es un proyecto de investigación sobre soldadura de tubos que se realizó en el Edison Welding Institute (EWI) utilizando tres sopletes para realizar una soldadura de una sola pasada.

Se utilizó un soplete GTAW de plomo para el precalentamiento y la preparación de los bordes. Se operó una segunda antorcha PAW en modo de ojo de cerradura para proporcionar una penetración total. Se utilizó un soplete GTAW como soplete posterior para alisar y dar forma al cordón de soldadura.

El material soldado fue una placa de acero inoxidable 304 de 0,315 pulgadas (8 milímetros) con bordes cortados. El material de este espesor no se podía soldar con GTAW convencional en una sola pasada sin preparación de los bordes, sin importar cuántos sopletes se usaran.

Se obtuvieron resultados aceptables usando GTAW/PAW/GTAW sin agregar metal de aporte, pero se obtuvieron resultados más consistentes cuando se agregó metal de aporte al baño de soldadura del soplete posterior. La velocidad de alimentación del alambre se ajustó para controlar el llenado y obtener perfiles de soldadura al ras o ligeramente convexos.

Para aprovechar al máximo el beneficio de PAW, se deben establecer procedimientos de soldadura sólidos, como definir ventanas operativas para los parámetros de soldadura.