Además de los factores del proceso, otros factores del proceso de soldadura, como el tamaño de la ranura y el tamaño del espacio, el ángulo de inclinación del electrodo y la pieza de trabajo, y la posición espacial de la junta, también pueden afectar la formación y el tamaño de la soldadura.
Influencia de la corriente de soldadura en la formación de la soldadura.
En determinadas condiciones, a medida que aumenta la corriente de soldadura por arco, la profundidad de penetración y el refuerzo del cordón de soldadura aumentan, y el ancho de la soldadura aumenta ligeramente. Las razones son las siguientes:
1) A medida que aumenta la corriente de soldadura por arco, aumenta la fuerza del arco sobre la pieza soldada, aumenta el aporte de calor del arco a la pieza soldada y la posición de la fuente de calor se desplaza hacia abajo, lo que favorece la conducción del calor en la dirección de profundidad del baño de fusión y aumenta la profundidad de penetración. La profundidad de penetración es aproximadamente proporcional a la corriente de soldadura. La profundidad de penetración de la soldadura H es aproximadamente igual a Km × I. En la fórmula, Km es el coeficiente de penetración (el número de milímetros en que aumenta la profundidad de penetración de la soldadura cuando la corriente de soldadura aumenta en 100 A), que está relacionado con el método de soldadura por arco, el diámetro del alambre, el tipo de corriente, etc., como se muestra en la Tabla 1-1.
| métodos de soldadura por arco | diámetro del electrodo/mm | corriente de soldadura/A | voltaje/V | velocidad de soldadura/mh-1 | coeficiente de penetración/m m-100A-1 |
soldadura por arco de tungsteno-argón | 3.2 | 100~350 | 10~16 | 6~18 | 0,8~1,8 |
soldadura por arco de plasma | Apertura de boquilla de 1,6 | 50~100 | 20~26 | 10~60 | 1.2~2 |
| 3,4 abertura de boquilla | 220~300 | 28~36 | 18~30 | 1,5~2,4 |
soldadura por arco sumergido | 2 | 200~700 | 32~40 | 15~100 | 1,0~1,7 |
| 5 | 450~1200 | 34~44 | 30~60 | 0,7~1,3 |
soldadura por arco de argón con electrodo de fusión | 1,2~2,4 | 210~550 | 24~42 | 40~120 | 1,5~1,8 |
| Soldadura con CO2 | 0,8~1,6 | 70~300 | 16~23 | 30~150 | 0,8~1,2 |
| 2~4 | 500~900 | 35~45 | 40~80 | |
Tabla 1-1 Coeficiente de profundidad de fusión Km para diversos métodos y parámetros de soldadura por arco (acero para soldadura)
2) La velocidad de fusión del núcleo o alambre de soldadura en la soldadura por arco es proporcional a la corriente de soldadura. Dado que el aumento de la corriente de soldadura en la soldadura por arco conlleva un aumento de la velocidad de fusión del alambre, la cantidad de alambre fundido aumenta aproximadamente de forma proporcional, mientras que el ancho de la soldadura aumenta en menor medida, por lo que el refuerzo de la soldadura también aumenta.
3) Al aumentar la corriente de soldadura, el diámetro del arco aumenta. Sin embargo, la profundidad de penetración del arco en la pieza también aumenta, y el rango de movimiento del punto de soldadura se ve limitado. Por lo tanto, el aumento del ancho de la soldadura es relativamente pequeño.
En la soldadura MIG (soldadura por arco metálico con gas inerte y protección gaseosa), al aumentar la corriente de soldadura, aumenta la profundidad de penetración. Si la corriente y la densidad de corriente son excesivas, es probable que se produzca una penetración irregular, especialmente al soldar aluminio.
Influencia del voltaje del arco en la formación de la soldadura
En determinadas condiciones, al aumentar la tensión del arco, aumenta la potencia del arco y, por consiguiente, el aporte de calor a la soldadura. Sin embargo, este aumento de tensión se logra incrementando la longitud del arco. El aumento de la longitud del arco conlleva un incremento del radio de la fuente de calor y, por ende, de la disipación de calor. Como resultado, la densidad de energía aportada a la soldadura disminuye, por lo que la profundidad de penetración se reduce ligeramente, mientras que el ancho del cordón de soldadura aumenta. Al mismo tiempo, dado que la corriente de soldadura y la cantidad de material fundido del alambre permanecen constantes, el refuerzo del cordón de soldadura disminuye.
En los distintos métodos de soldadura por arco, para obtener una correcta formación de la soldadura, es decir, para mantener un coeficiente de formación de soldadura φ adecuado, al aumentar la corriente de soldadura, se debe incrementar también la tensión del arco. Es necesario que la tensión del arco y la corriente de soldadura guarden una relación de correspondencia apropiada. Esto es especialmente común en la soldadura por arco con electrodo consumible.
Influencia de la velocidad de soldadura en la formación de la soldadura
En determinadas condiciones, aumentar la velocidad de soldadura conlleva una reducción del aporte térmico, disminuyendo así tanto el ancho como la penetración del cordón. Dado que la cantidad de metal depositado por unidad de longitud de soldadura es inversamente proporcional a la velocidad de soldadura, también se reduce el refuerzo del cordón.
La velocidad de soldadura es un indicador importante para evaluar la productividad. Para mejorarla, se debe aumentar la velocidad. Sin embargo, para garantizar el tamaño de soldadura requerido en el diseño estructural, al aumentar la velocidad, también se deben incrementar la corriente y el voltaje del arco. Estas tres magnitudes están interrelacionadas. Asimismo, cabe considerar que al aumentar la corriente, el voltaje del arco y la velocidad de soldadura (es decir, al usar un arco de alta potencia y soldar a alta velocidad), pueden producirse defectos como socavaduras y grietas durante la formación y solidificación del baño de fusión. Por lo tanto, el aumento de la velocidad de soldadura es limitado.
Influencia del tipo y polaridad de la corriente de soldadura y del tamaño del electrodo en la formación de la soldadura.
1. Tipos y polaridades de la corriente de soldadura
Los tipos de corriente de soldadura se dividen en corriente continua y corriente alterna. Dentro de esta, la soldadura por arco con corriente continua se subdivide en corriente continua constante y corriente continua pulsada, según la presencia o ausencia de pulsos. Según la polaridad, se divide en corriente continua con conexión positiva (la pieza a soldar se conecta al polo positivo) y corriente continua con conexión inversa (la pieza a soldar se conecta al polo negativo). La soldadura por arco con corriente alterna se subdivide en corriente alterna sinusoidal y corriente alterna cuadrada, según las diferentes formas de onda de la corriente. El tipo y la polaridad de la corriente de soldadura pueden afectar la cantidad de calor que el arco transfiere a la pieza a soldar, influyendo así en la formación de la soldadura. Asimismo, pueden afectar el proceso de transferencia de gotas y la eliminación de la película de óxido en la superficie del metal base.
Cuando se utiliza la soldadura por arco de tungsteno con gas inerte (TIG) para soldar materiales metálicos como acero y titanio, la penetración de la soldadura es más profunda cuando la corriente continua se conecta en sentido positivo, es menos profunda cuando se conecta en sentido inverso, y la corriente alterna se encuentra entre ambas. Dado que la penetración de la soldadura es más profunda cuando la corriente continua se conecta en sentido positivo y el electrodo de tungsteno tiene la menor pérdida por quemado, se debe utilizar la conexión positiva de corriente continua cuando se utiliza la soldadura TIG para soldar materiales metálicos como acero y titanio. Cuando se utiliza la soldadura TIG con corriente continua pulsada, dado que los parámetros de pulso se pueden ajustar, el tamaño de la formación de soldadura se puede controlar según sea necesario. Cuando se utiliza la soldadura TIG para soldar aluminio, magnesio y sus aleaciones, es necesario utilizar el efecto de limpieza del cátodo del arco para limpiar la película de óxido en la superficie del metal base. La corriente alterna es mejor. Dado que los parámetros de la forma de onda de la corriente alterna de onda cuadrada se pueden ajustar, el efecto de soldadura es mejor.
En la soldadura por arco metálico con gas, cuando la corriente continua se conecta en sentido inverso, la penetración y el ancho de la soldadura son mayores que en el caso de la conexión en sentido positivo. La penetración y el ancho de la soldadura por corriente alterna se encuentran entre ambos. Por lo tanto, en la soldadura por arco sumergido, la conexión en sentido inverso de la corriente continua se utiliza generalmente para obtener una mayor penetración; mientras que en la soldadura de recubrimiento por arco sumergido, la conexión en sentido positivo de la corriente continua se utiliza para reducir la penetración. En la soldadura por arco metálico con gas de protección, dado que la conexión en sentido inverso de la corriente continua no solo tiene una gran profundidad de penetración, sino que también el arco de soldadura y el proceso de transferencia de gotas son más estables que en la conexión en sentido positivo de la corriente continua y la corriente alterna, y tiene un efecto de limpieza del cátodo, se utiliza ampliamente. La conexión en sentido positivo de la corriente continua y la corriente alterna generalmente no se utilizan.
2. Influencia de la forma de la punta del electrodo de tungsteno, el diámetro del alambre de soldadura y la longitud de extensión.
El ángulo y la forma del extremo frontal del electrodo de tungsteno influyen significativamente en la concentración y la presión del arco. Deben seleccionarse en función de la corriente de soldadura y el espesor de la pieza. Generalmente, cuanto más concentrado y presionado esté el arco, mayor será la profundidad de penetración, mientras que el ancho de la soldadura disminuirá.
En la soldadura por arco metálico con gas, cuando la corriente de soldadura es constante, cuanto más delgado es el alambre, más concentrado es el calentamiento del arco, mayor es la profundidad de penetración y menor el ancho de la soldadura. Sin embargo, al elegir el diámetro del alambre en proyectos de soldadura reales, también se deben considerar la magnitud de la corriente y la morfología del baño de fusión para evitar una mala formación de la soldadura.
En la soldadura por arco metálico con gas, al aumentar la longitud de extensión del alambre, se incrementa el calor de resistencia generado por la corriente de soldadura que pasa a través de la parte extendida del alambre, lo que provoca un aumento en la velocidad de fusión del alambre. Por lo tanto, aumenta el refuerzo de la soldadura, mientras que la profundidad de penetración disminuye ligeramente. Debido a la resistividad relativamente alta de los alambres de soldadura de acero, la influencia de la longitud de extensión del alambre en la formación de la soldadura es bastante evidente al soldar con alambres de acero y finos. La resistividad de los alambres de soldadura de aluminio es relativamente baja, por lo que su influencia no es significativa. Si bien aumentar la longitud de extensión del alambre puede mejorar el coeficiente de fusión del alambre, considerando de forma integral los aspectos de la estabilidad de la fusión del alambre y la formación de la soldadura, existe un rango de variación admisible para la longitud de extensión del alambre.
Influencia de otros factores del proceso en los factores de formación de la soldadura
Además de los factores de proceso mencionados anteriormente, otros factores del proceso de soldadura, como el tamaño de la ranura y el tamaño del espacio, el ángulo de inclinación del electrodo y la pieza de trabajo, y la posición espacial de la junta, también pueden afectar la formación y el tamaño de la soldadura.
1. Ranura y espacio
Al soldar juntas a tope mediante soldadura por arco eléctrico, generalmente se determina si se deja un espacio, el tamaño del espacio y la forma de la ranura según el espesor de la placa a soldar. En ciertas condiciones, cuanto mayor sea el tamaño de la ranura o el espacio, menor será el refuerzo de la soldadura, lo que equivale a una caída en la posición de soldadura. En este caso, la relación de fusión disminuye. Por lo tanto, dejar un espacio o abrir una ranura permite controlar el tamaño del refuerzo y ajustar la relación de fusión. En comparación con dejar un espacio y no dejarlo, o abrir una ranura, las condiciones de disipación de calor son algo diferentes. En general, las condiciones de cristalización al abrir una ranura son más favorables.
2. Inclinación del electrodo (alambre de soldadura)
Durante la soldadura por arco, según la relación entre la dirección de inclinación del electrodo y la dirección de soldadura, se distinguen dos tipos: inclinación hacia adelante del electrodo e inclinación hacia atrás del electrodo. Cuando el alambre de soldadura se inclina, el eje del arco también se inclina en consecuencia. Cuando el alambre de soldadura se inclina hacia adelante, el efecto de la fuerza del arco sobre la descarga del metal fundido hacia atrás se debilita. La capa de metal líquido en el fondo del baño de fusión se vuelve más gruesa, la profundidad de penetración se reduce, la profundidad a la que el arco penetra en la soldadura se reduce, el rango de movimiento del punto de arco se expande, el ancho de la soldadura aumenta y el refuerzo disminuye. Cuanto menor sea el ángulo de inclinación hacia adelante α del alambre de soldadura, más evidente será esta influencia. Cuando el alambre de soldadura se inclina hacia atrás, la situación es opuesta. En la soldadura por arco con electrodo revestido, se suele adoptar el método de inclinación hacia atrás del electrodo, y un ángulo de inclinación α entre 65° y 80° es relativamente apropiado.
3. Inclinación de la pieza de soldadura
La inclinación de la soldadura se encuentra frecuentemente en la producción real y se puede dividir en soldadura ascendente y descendente. En este caso, bajo la acción de la gravedad, el metal fundido tiende a fluir hacia abajo siguiendo la pendiente. En la soldadura ascendente, la gravedad ayuda a descargar el metal fundido hacia el fondo del baño de fusión, por lo que la penetración es profunda, el ancho de la soldadura es estrecho y el refuerzo es alto. Cuando el ángulo de inclinación ascendente α es de 6° a 12°, el refuerzo es excesivo y se generan fácilmente socavaduras en ambos lados. En la soldadura descendente, este efecto impide que el metal fundido se descargue hacia el fondo del baño de fusión. El arco no puede calentar profundamente el metal en el fondo del baño de fusión, la penetración se reduce, el rango de movimiento del punto del arco se expande, el ancho de la soldadura aumenta y el refuerzo disminuye. Si el ángulo de inclinación de la soldadura es demasiado grande, provocará una penetración insuficiente y el desbordamiento del metal fundido del baño de fusión.
4. Material y espesor de soldadura
La penetración de la soldadura está relacionada con la corriente de soldadura, así como con la conductividad térmica y la capacidad calorífica volumétrica del material. Cuanto mayor sea la conductividad térmica y la capacidad calorífica volumétrica del material, mayor será el calor necesario para fundir un volumen unitario de metal y elevar la temperatura en la misma medida. Por lo tanto, bajo ciertas condiciones, como la corriente de soldadura, la profundidad de penetración y el ancho de la soldadura disminuirán. Cuanto mayor sea la densidad o la viscosidad del material, más difícil será para el arco desplazar el metal fundido y menor será la penetración de la soldadura. El espesor de la pieza soldada afecta la conducción de calor en su interior. En igualdad de condiciones, a medida que aumenta el espesor de la pieza soldada, aumenta la disipación de calor y disminuyen tanto el ancho de la soldadura como la profundidad de penetración.
5. Fundente, recubrimiento de electrodos y gas de protección
Las distintas composiciones de fundentes o recubrimientos de electrodos generan diferentes caídas de voltaje en las regiones del arco y diferentes gradientes de potencial en la columna del arco, lo que inevitablemente afecta la formación de la soldadura. Cuando el fundente tiene baja densidad, gran tamaño de partícula o poca altura de apilamiento, la presión alrededor del arco es baja, la columna del arco se expande y el punto del arco tiene un amplio rango de movimiento. Por lo tanto, la penetración es pequeña, el ancho de la soldadura es grande y el refuerzo es pequeño. Cuando se utiliza soldadura por arco de alta potencia para soldar piezas gruesas, el uso de fundentes similares a la piedra pómez puede reducir la presión del arco, disminuir la penetración y aumentar el ancho de la soldadura. Además, la escoria de soldadura debe tener la viscosidad y la temperatura de fusión adecuadas. Si la viscosidad es demasiado alta o la temperatura de fusión es relativamente alta, la escoria tendrá poca ventilación y es fácil que se formen muchas depresiones en la superficie de la soldadura, lo que resulta en una mala formación de la superficie de la soldadura.
La composición de los gases de protección para la soldadura por arco (como Ar, He, N2 y CO2) varía, al igual que sus propiedades físicas, como la conductividad térmica. Esto provoca que la caída de tensión en la región polar del arco, el gradiente de potencial de la columna de arco, la sección transversal conductora de la columna, la fuerza del flujo de plasma y la distribución del flujo de calor específico sean diferentes. Todos estos factores influyen en la formación de los cordones de soldadura.
En resumen, existen muchos factores que influyen en la formación de la soldadura. Para obtener una buena soldadura, es necesario seleccionar los métodos y condiciones de soldadura adecuados según el material y el espesor de la pieza a soldar, la posición espacial de la soldadura, la forma de la junta, las condiciones de trabajo, los requisitos de rendimiento de la junta y el tamaño de la soldadura. Al mismo tiempo, lo más importante es la actitud del soldador. De lo contrario, la soldadura y su rendimiento podrían no cumplir con los requisitos, e incluso podrían aparecer diversos defectos.
