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

PAW es un proceso de soldadura por arco que utiliza un electrodo de aleación de tungsteno o tungsteno no consumible, muy parecido a 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 desean 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 los paneles de la carrocería y los 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 bajas, mientras que LBW a menudo se selecciona para soldaduras de mayor velocidad.

PAW a veces ofrece 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 juntas que LBW y brinda una mejor penetración que GTAW; soldadura de aceros revestidos como los que se utilizan en los sistemas de escape de los automóviles; y soldadura en modo ojo de cerradura para realizar soldaduras de penetración completa en material relativamente grueso en una sola pasada.

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

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

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

La forma cónica de un arco de tungsteno con gas requiere que se utilice un equipo de control de longitud de arco (ALC) o control de voltaje de arco (AVC) para la soldadura automatizada a fin de garantizar un tamaño de punto y una densidad de energía uniformes.

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 en 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 rectificarlo.

Otra característica única de PAW es cómo se inicia el arco. La corriente de alta frecuencia (HF) generalmente se usa 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 al trabajo, que se convierte en parte del circuito eléctrico. Debido a que el arco se establece antes de realizar una soldadura, los inicios del arco de soldadura tienden a ser muy confiables.

El arco piloto permanece encendido después de completar la soldadura y la antorcha está lista para realizar la próxima soldadura sin necesidad de HF adicional. Esto puede ser beneficioso cuando se suelda 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 oscila entre menos de 0,1 amperios y aproximadamente 20 amperios.

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

La combinación de alta corriente y flujo de gas de plasma crea un orificio en el material y el metal fundido fluye detrás del orificio en movimiento para crear el cordón de soldadura. Al soldar en modo ojo de cerradura, el caudal de gas de plasma debe controlarse cuidadosamente para realizar una soldadura. Una tasa de flujo ligeramente más alta soplará el metal fundido y dará como resultado el corte.

Si bien PAW no es tan rápido como LBW (según la aplicación y la fuente del 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 entrada de calor, lo que produce soldaduras más anchas y zonas afectadas por el calor que LBW y EBW. Esto puede resultar en más distorsión y pérdida de propiedades mecánicas.

Sin embargo, PAW ofrece una ventaja sobre estos procesos en cuanto a la tolerancia a los espacios y la desalineación de las juntas. Aunque el arco está contraído, la columna de plasma tiene un diámetro significativamente mayor que los haces. Agregar metal de aporte 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 el soplete con agua limita el tamaño del soplete (los sopletes GTAW se pueden enfriar con gas y se pueden hacer para encajar en áreas más pequeñas). Además, el arco PAW angosto es menos tolerante a la desalineación de las juntas que el arco de tungsteno de gas cónico.

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 obtener un arco de tungsteno de gas estable a mucho menos de 15 amperios. Microplasma demostró ser capaz de superar esta limitación. GTAW ha evolucionado considerablemente desde entonces con reclamos de arcos estables a menos de 1 amperio.

Pero PAW tiene un límite de corriente inferior de aproximadamente una décima parte del GTAW. La capacidad de baja corriente, junto con el arranque de arco confiable, 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 la relativa simplicidad. LBW se usa cuando la producción de mayor volumen puede justificar el gasto, cuando se debe minimizar el aporte de calor y cuando se puede controlar estrictamente el montaje de juntas.

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

Esto permite usar longitudes de arco más largas y eso, combinado con el electrodo empotrado, puede facilitar la adición de metal de aporte cuando se suelda manualmente. La contaminación del electrodo por el metal de aporte rara vez ocurre con PAW.

El modo fundido PAW puede ser beneficioso en comparación con GTAW en aplicaciones automatizadas debido a inicios de arco más confiables, mayor vida útil del electrodo, sin necesidad de AVC o ALC, y sin ruido electromagnético de HF al comienzo de cada soldadura.

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

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

La alta relación entre la profundidad y el ancho de una soldadura de plasma de ojo 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 ser difícil de mantener durante la soldadura manual.

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

Las fuentes de poder de 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 para que la porción de electrodo positivo de cada ciclo que limpia los óxidos superficiales tenaces se pueda equilibrar con la porción de electrodo negativo que proporciona una mayor penetración.

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

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

El soplete principal GTAW se utilizó para el precalentamiento y la preparación de los bordes. Se operó una segunda antorcha PAW en modo ojo de cerradura para proporcionar una penetración total. Se usó un soplete GTAW como soplete final 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 grosor no se podía soldar con GTAW convencional en una sola pasada sin preparación de 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 de la antorcha final. La velocidad de alimentación del alambre se ajustó para controlar el llenado y obtener perfiles de soldadura al ras o ligeramente convexos.

Para obtener todos los beneficios de PAW, se deben establecer procedimientos de soldadura sólidos, como la definición de ventanas operativas para los parámetros de soldadura.