Soldadura por Arco con Protección de Gas Inerte

Actualizado Mayo 2020
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MIG / MAG

Última Actualización Mayo 2020


Generalidaddes

La soldadura con electrodo metálico y protección de gas se conoce como MIG por su abreviatura en inglés de Metal Inert Gas.

En los inicios de este procedimiento se empleaba gas inerte para proteger para proteger el arco eléctrico. Este gas normalmente era argón puro o mezclado con una pequeña cantidad de oxígeno.

Con la evolución del proceso se introdujeron otros gases que no eran inertes sino químicamente activos, por lo que en Europa se les llamó Metal Active Gas ("MAG")

Aunque el término MAG actualmente es poco utilizado, el término asignado por la AWS para este procedimiento es Gas Metal Aarc Welding (GMAW).

El proceso GMAW consiste en la generación de un arco eléctrico entre un electrodo consumible alimentado de manera continua (alambre) y el charco o material fundido durante el proceso.  La protección del arco se  lleva a cabo mediante el suministro de un gas de una fuente externa sin la aplicación de presión.

Durante los inicios de este procedimiento era utilizado para soldar piezas de aluminio. Se utilizaban electrodos desnudos con una alta intensidad de corriente y diámetros pequeños y gas inerte para blindaje del arco. Debido al uso del gas inerte se le dio el nombre de MIG.

Durante los avances y mejoras de proceso, se incluyeron bajas densidades de corriente continua por pulsos y el uso de gases reactivos como el CO2. 

Este último desarrollo ha llevado a la aceptación formal del término soldadura por arco metálico con gas (GMAW) para el proceso, ya que se utilizan gases tanto inertes como reactivos.

El gas de protección básicamente evita la entrada de aire a la zona de material fundido o charco, el aire puede causar porosidades, grietas, entre otros. También el gas es un medio que facilita el flujo de electrones, mejorando el paso de corriente por consiguiente ayuda en la fusión del metal.

Los gases más utilizados para la soldadura GMAW son el Argón y el CO2.

El CO2 es un gas reactivo, libera oxígeno y monóxido de carbono durante la soldadura. El oxígeno a altas temperaturas oxida fácilmente los metales. 

Esquema MIG
Esquema Proceso MIG

La principales ventajas de la soldadura MIG es que no requiere de interrupciones para cambiar de electrodos, permite soldar en cualquier posición, es un proceso libre de escoria, por tanto no requiere de limpieza luego de finalizada la fabricación.

Otra de las bondades de este procedimiento, es que la velocidad de aporte del alambre puede ser ajustada a las necesidades de producción y ofrece mayor velocidad de producción que otros procedimientos.

La soldadura MIG puede ser aplicada a niveles industriales automatizados y/o manualmente en aplicaciones domésticas o industriales a baja escala.

Los equipos que conforman el conjunto o Kit de soldadura MIG son:

  • Rectificador / Convertidor corriente AC to DC a voltaje constante.
  • Mecanismo de alimentación del alambre consumible.
  • Recipiente con gas de protección presurizado.
  • Cables y/o conductores.
  • Antorcha o pistola.
  • Boquillas.

Entre las limitaciones que presenta el uso de MIG se destacan:

  • El equipo es más complejo que la soldadura por arco, por lo tanto su transporte es más engorroso.
  • En piezas o lugares donde el espacio es limitado puede ser complicado ya que la antorcha es de mayor tamaño que la pinza porta electrodos.
  • El flujo de gas de protección puede ser afectado en lugares fuera de taller con altas velocidades de viento.
  • Genera una alta radiación de calor para el operador.

Antocha MIG
Antorcha MIG

El sistema MIG es un proceso de soldadura por arco eléctrico, en el cual el material de aporte funciona como electrodo y es suministrado automática y continuamente la zona de fusión a una velocidad constante.

La zona de metal fundido y el arco eléctrico es protegidas por un flujo de gas que genera una atmósfera protectora con la finalidad de evitar la contaminación por aire o vapor de agua como se detalló con anterioridad. Sin embargo, el hecho que la alimentación del material de aporte es también el electrodo es importante conocer el mecanismo de transferencia de material hacia la junta. 

En este tipo de procedimiento de soldadura intervienen tres factores fundamentales: cantidad de corriente (amperaje), tipo de gas (inerte / activo) y tipo de material del electrodo; que determinan la forma como se transfiere el material de aporte hasta el material base en estado líquido, mejor conocido como charco.

En soldadura MIG, el material de aporte fundido en forma de gotas se transfiriere a través del arco, desde electrodo en forma de alambre alimentado continuamente, a la zona de fusión del material base mejor conocido como charco de soldadura.

Existen tres mecanismos de transferencia de material de aporte

Esos tipos de soldadura son los mostrados a continuación, los cuales se describen cada uno de ellos:

  1. Transferencia “Spray” o de Rocío.
  2. Transferencia“Globular”.
  3. Transferencia en “Corto-Circuito”.

Para un diámetro dado de electrodo, la cantidad de corriente determina el flujo de calor y este a su vez el tamaño de las gotas de material fundido y la cantidad que son generadas por unidad de tiempo:

  • Cuando el operador utiliza bajos niveles de corriente (amperios), las gotas de metal fundido crecen a un diámetro que es varias veces el diámetro del electrodo (alambre) antes de separarse.  El flujo de material o velocidad de transferencia a bajos intensidades de corriente es solo de varias gotas por segundo.
  • Cuando el operador utiliza niveles intermedios de corriente (amperios) intermedios, el tamaño de las gotas, o flujo de material, disminuye pero la velocidad de separación desde el electrodo se incrementa.
  • Cuando el operador utiliza altos valores de corriente (amperios), el tamaño de las gotas se reducen pero la velocidad de separación aumentan.
  • Otros factores que influyen en la transferencia de material es el tipo de corrientes (AC o DC), composición y diámetro del electrodo, extensión del electrodo y la composición del gas de protección.
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Muestra de una soldadura por arco.

Transferencia Spray

El metal se desprende del alambre a alta velocidad en partículas muy finas y es conducido hacia el metal base a través del arco. 

Este tipo de transferencia de material requiere de una fuerza electromagnética  considerable para desprender el material en forma de gotas con patrón lineal paralelo al eje del electrodo, independientemente de la dirección o posición de soldadura.

Este tipo de transferencia de material es típico cuando se utiliza Argón para soldar acero inoxidable y aluminio.

Transferencia Globular

En la transferencia globular las gotas de material son mayores en comparación con la transferencia en Spray y la separación de las mismas del alambre ocurren por gravedad. Esto se debe a que el peso de cada gota supera la fuerza de la tensión superficial que la mantiene unida al resto del alambre. El desprendimiento ocurre en la punta del alambre, en  este caso la fuerza electromagnética necesaria para separar la gota de material es pequeña ya que actúa en dirección de la gravedad. Este tipo de soldadura es típica para soldar aceros al carbono con grandes espesores iguales o mayores a ½” (12,7 mm). Este tipo de transferencia garantiza alta penetración. 

Transferencia por Corto Circuito

La transferencia por corto circuito es un mecanismo de transferencia de material por contacto entre el electrodo y el metal base. El corto circuito se produce por contacto entre la punta del electrodo y el charco de metal base fundido, a una frecuencia hasta 200 por segundo.

Dado que el material no fluye a través del arco, este resulta ser muy estable con una baja demanda de energía, en general y dependiendo del equipo suele ser 250 amperios con una baja generación de calor.

La reducción en el calor del proceso se traduce en algunas ventajas tales como disminución de la distorsión, reducción de la zona afectada por el calor en el metal base, entre otros.

Este mecanismo de transferencia de material ocurre en presencia de dióxido de carbono CO2 o una mezcla de Argón y dióxido de carbono conocida como Indurming (Ar-CO2).

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Parte del trabajo de una Soldadura por Arco.

Variables del Proceso

Las siguientes variables afectan la penetración de la soldadura, geometría del cordón y la calidad del cordón:

  1. Corriente de soldadura.
  2. Polaridad del electrodo.
  3. Longitud del arco (voltaje del arco).
  4. Velocidad de avance.
  5. Extensión del electrodo (separación al metal base).
  6. Orientación del electrodo.
  7. Posición de fabricación de la junta (plano, vertical, sobre cabeza, etc).
  8. Diámetro del electrodo.
  9. Composición del gas de protección y flujo.

El control de las variables antes mencionadas influyen en la calidad de la junta obtenida. Todas esas variables mencionada son dependientes entre sí, un cambio en cualquiera de ellas, amerita ajustes en el resto de las demás para obtener los resultados deseados

Protección Gaseosa

El gas de protección mantiene la zona de soldadura libre de elementos contaminantes como oxígeno, nitrógeno, vapor de agua, que pueden afectar las propiedades del cordón de soldadura.

Metal Base

Transferencia 

En Spray

Transferencia 

Corto Circuito

Acero Inoxidable 

Argón +2% CO2

Argón + 1% O2

Argón +2%  O2

90% Heliio

7,5% Argón + 2,5% CO2

Aceros al Carbono

y Baja Aleación

 Argón +2%  O2

Argón +20% CO2

Argón +5% CO2

Argón +8% CO2

CO2

Argón +20% CO2

Argón +8% CO2

Argón +5% CO2

Aluminio y Magnesio

Argón 

Helio

Argón +25% He

Argón +75% He

 
Cobre

Helio

Argón +25% He

Argón +50% He

Argón +75% He

 

 

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Truco de Experto

TIG: Tungsten Inert Gas, es un procedimiento de soldadura por arco eléctrico que utiliza un electrodo no consumible de tungsteno (o una aleación) con una protección gaseosa para el arco 


En los sistemas MIG y MAG se emplean gases inertes y activos respectivamente

Los gases inertes son recomendables para soldaduras de metales no ferrosos ya que estos no reaccionan con los gases inertes

En el sistema MIG se utilizan Argón Helio y mezclas de ambos

La soldadura de metales ferrosos se puede emplear gases inertes o activos, tal como dióxido de carbono o mezclas de este o cualquier otro gas con algún porcentaje de oxígeno. El oxígeno puede formar o cualquiera de los gases activos puede formar otros compuestos con los metales.

Los factores para seleccionar el tipo de gas de protección a emplear son los siguientes: 

1. Tipo de metal base: ferroso o no ferroso.

2. Características del arco y tipo de transferencia metálica.

3. Velocidad de fabricación de la soldadura.

4. Penetración, ancho y forma del depósito de soldadura.

6. Disponibilidad.

7. Costo del gas.

Corriente soldadura

En caso que todas las variables de soldadura, tales como: diámetro electrodo, material, gas de protección etc, se mantienen constantes la intensidad de corriente (amperaje) requerida para soldar depende de la velocidad de alimentación del electrodo o tasa de fusión en una relación que se muestra en la gráfica, considerando que el nivel de tensión o voltaje permanece constante.

La relación entre la velocidad de alimentación y la corriente, también depende del material del electrodo (acero / aluminio, etc) 

Corriente MIG
Corriente Requerida en Función de la Velocidad Alimentación del Electrodo.

En la gráfica se muestra que para diámetros pequeños de electrodos (0,8 y 0,9 mm) la relación entre la corriente y la velocidad de  avance se mantiene lineal para bajas intensidades de corriente (200 Amperios). Para niveles de corriente más altos la pendiente de la curva adopta una tendencia no lineal, que demanda mayor intensidad de corriente para una mayor velocidad de alimentación del electrodo.

Para diámetros mayores de electrodos la curva adopta una forma más plana, en consecuencia la demanda de corriente se incrementa la corriente requerida de forma polinómica por cada incremento de la velocidad de suministro de material de aporte. 

Estos cambios en la demanda de corriente se atribuyen a la resistencia térmica del electrodo más allá del tubo de contacto.

Asumiendo que se mantienen las variables de soldadura constantes, un incremento en la corriente de soldadura o velocidad de alimentación del electrodo, se traducirá en: un incremento en la penetración sobre el metal base, aumento del tamaño del cordón. 

Electrodos MIG

Los electros y material de aporte para procesos MIG (GMAW) están cubiertos por las especificaciones de materiales de la AWS. Otras organizaciones han publicado normas de especificaciones para electrodos empleados en aplicaciones como por ejemplo SAE.

La AWS agrupa los electrodos de GMAW bajo la designación A5.XX. Esta especificación define los requerimientos para diámetros, composición química, propiedades mecánicas, entre otros. De acuerdo al tipo de material base la AWS especifica el tipo de electrodo, tal como se muestra en la tabla siguiente

Tipo de Material BaseEspecificación AWS
Acero al CarbonoA5.18
Acero de bajo CarbonoA5.28
Aleaciones de AluminioA5.10
Aleaciones de CobreA5.7
MagnesioA5.19
Aleaciones de NíquelA5.14
Acero inoxidable Serie 300À5.9
Acero inoxidable Serie 400A5.9
TitanioA5.16

La designación de los alambres MIG normalmente se utilizan una serie de números y letras basada en las propiedades mecánicas del material de aporte y composición química; por ejemplo ER-XXS-Y

La letra E indica electrodo.

La letra R indica varilla.

Los dos dígitos siguientes (o tres) indican la resistencia a la tracción en miles de libras/pulg2.

La letra S indica que el tipo de alambre es sólido.

El dígito o letra y dígito indica la composición química especial del electrodo.

ER-70S-6: electrodo continuo acero al carbono, resistencia a la tracción 70.000 lb/in2 su contenido de magnesio y silicio, garantiza una soldadura libre de poros y posee propiedades antioxidantes.

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Alambre utilizado para soldaduras MIG.

La distancia entre el electrodo y el metal base se conoce como la extensión del electrodo. A mayor extensión de electrodo mayor será la resistencia eléctrica en consecuencia disminuye el flujo de corriente incrementando el calentamiento del electrodo, aumentando ligeramente la tasa de fusión del electrodo.

El aumento de la resistencia eléctrica produce una mayor caída de tensión entre el electrodo y el metal base, dado que la fuente de poder opera a potencia constante, el incremento de la caída de tensión es compensada por la fuente de poder con una reducción en la intensidad de corriente, por lo tanto disminuye la tasa de fusión del electrodo. Si el nivel de tensión no se incrementa en la fuente de poder, la tasa de deposición del material de aporte disminuirá y el cordón de soldadura será más pequeño y cóncavo.   

La extensión recomendable para un electrodo generalmente está en el rango de 6 a 12 mm (1/4” a ½”) para transferencia por corto circuito y para otros mecanismos de transferencia la extensión debe mantenerse entre 12 mm y 25 mm (1/2” a 1”).

Velocidad de Fusión del Electrodo

En los procesos de soldadura MIG/ MAG (GMAW) se utiliza la energía del arco para fundir el electrodo metálico a medida que fluye hacia el arco. Debido a esto el operador debe mantener el equilibrio entre la velocidad de fusión y la velocidad de flujo de material. Para lograr este equilibrio el operador debe mantener el porta electrodos a la distancia correcta y desplazarlo en la dirección de avance de la soldadura, cuando estas variables se realizan coordinadamente la longitud del arco se mantiene estable.

Cuando la velocidad de alimentación del electrodo es mayor que la velocidad de fusión el tamaño del arco se acorta hasta que se apaga. El caso contrario, la velocidad de fusión es mayor que la velocidad de suministro del electrodo ocurre el retroceso del arco.

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Máquina utilizada para soldaduras MIG/MAG

Máquinas MIG

Para el proceso de soldadura MIG la máquina o fuente de poder más empleada es la de corriente continua y de voltaje constante. La máquina mantiene voltaje constante en el arco, a pesar de las variaciones del flujo de corriente en el arco.  Es importante señalar, que este tipo de máquina de soldar puede ser usada sólo para soldadura semiautomática. 

El principio de funcionamiento de esta máquina está basado en el cambio de la corriente de salida, para poder obtener la caída de tensión apropiada en el secundario del sistema de soldadura. El ajuste de la longitud del arco es controlado al fijarse la magnitud del voltaje en la máquina de soldar, mientras que la corriente de soldar está controlada por medio de la velocidad en el alimentador de alambre.

Soldadura MAG

El procedimiento de soldadura que utiliza gases activos en lugar de gases inertes se conoce con el nombre MAG. Era utilizado con mayor frecuencia en Europa, y el bióxido de carbono CO2 es el tipo de gas más común.

Los conceptos anteriormente mencionados aplican para el proceso MAG sin embargo, se debe enfatizar que el bióxido de carbono genera un arco más caliente que el producido por un gas inerte.

El bióxido de carbono se considera un gas activo por la presencia de oxígeno en su composición, lo que limita su uso. 

El CO2 se limita al uso de electrodos que contienen elementos antioxidantes en su composición que permita anular el efecto oxidante del oxígeno.  

El uso de CO2 como gas de protección presenta la principal desventaja que la transferencia de material aporte al charco (metal base) es inestable y variable con una gran cantidad de salpicaduras.

Meclas de CO2

Una mezcla de CO2 y argón genera un gas con las bondades que ofrece cada componente por separado. Las características de la mezcla será de acuerdo a la mayor proporción presente en la mezcla de cada gas, por ejemplo si el CO2 está en mayor proporción, la mezcla será caliente y la transferencia de material de aporte inestable.

Si el argón está presente en mayor proporción en la mezcla el arco será más frío (comparado con CO2) y la transferencia de metal será más estable. Caso contrario si el CO2 está en mayor proporción en la mezcla el arco será más caliente e inestable la transferencia de material de aporte.

Normalmente las mezclas varían entre 5% y 75% de CO2, ya que para concentraciones menores a 5% no se obtiene ningún efecto apreciable en el arco y cuando es mayor a 75%, el resultado es similar al de 100% CO2.

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Muestra de una excelente soldadura MIG/MAG.

Otros Gases de Protección

En la soldadura GMAW suelen utilizarse otos gases de protección, como helio, hidrógeno y en algunos casos oxígeno, con ciertas limitaciones.

Estos gases son más eficientes o mejoran algunas características cuando son mezclados con otros gases. El helio e hidrógeno son útiles cuando el objetivo es incrementar el calor producido en el arco. 

El helio comúnmente se mezcla con el argón con excepción de algunos casos que requieren grandes cantidades de calor o para soldar aluminio o cobre se utiliza el helio puro.

Debido a que el helio e hidrógeno son de menor densidad que el aire, por tanto tiende a elevarse por encima del aire, en consecuencia su función de protección del arco es limitada. 

Otros de los gases que se emplea como componente de mezcla es el oxígeno, cuando se combina con el argón el arco se calienta más en comparación con utilizar argón puro. Este incremento de temperatura reduce la porosidad y salpicaduras.

Las proporciones de mezclas de oxígeno en argón varían en un rango entre 1% y 5%.

Retroceso del Arco

Las boquillas de los porta electrodos por lo general está hecha de cobre; entre la boquilla y el electrodo se forma un arco que funde el cobre obstaculizando el flujo del alambre hacia el metal base. Esta interrupción del flujo del alambre se conoce como retroceso del arco.

Cuando este problema se presenta se recomienda interrumpir el proceso tan rápido como sea posible, ya que se puede acumular el material en los rodillos impulsores, mientras estos están girado. Esta acumulación anormal del alambre coloquialmente se le conoce como bola estambre o nido de pájaro.

Este arrollamiento anormal del alambre es extremadamente peligroso y debe evitarse ya que el alambre está al mismo potencial del arco mientras el sistema esté energizado y, el alambre debe ser un excelente conductor de electricidad y pudiese llevar la energía hasta los rodillos. 

De lo anterior se concluye que los rodillos deben estar eléctricamente aislados de los motores que los accionan. Otro elemento que debe estar aislado es el conducto porta electrodos.

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Bibliografía

[1] Jay Storer and John H Haynes. The Haynes Welding Manual. 1994.

[2] Indura. Manual de soldadura.

[3] Miller Welds. Guidelines To Gas Tungsten Arc Welding (GTAW) 2003.

[4] Lincoln Electric. Electrodos revestidos. Catálogo.

[5] AWS. WELDING ENCYCLOPEDIA Eighteenth Edition Editado por ROBERT L. O’BRIEN. 1997.

[6] ASM International. Volume 6 Welding, Brazing and Soldering. 1993.

[7] Koell Hoffer. Manual de soldadura. Editorial Limusa. 5ta edición.



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