ES2302306T3 - Soldadura en estado solido o soldadura tig con transferencia de metal mediante puente liquido. - Google Patents
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Abstract
Procedimiento de soldadura con arco en el que se emplea un portaelectrodos TIG dotado de un electrodo (4) no fusible y un alambre de aportación fusible (1), fundiéndose progresivamente el extremo de dicho alambre fusible (1) por medio de un arco eléctrico (5) generado entre el electrodo no fusible (4) y por lo menos una pieza (8) a soldar, de manera a realizar una transferencia de metal fundido desde el alambre hacia dicha pieza y obtener así una junta de soldadura (6), realizándose la alimentación de alambre fusible (1) según un ángulo (alfa) inferior a 50º con relación al eje del electrodo, caracterizado porque: - el extremo del alambre fusible (1) es guiado y mantenido en permanencia a una distancia (D) inferior a 2 mm con relación al extremo del electrodo (4) de tungsteno del portaelectrodos TIG, y - la transferencia de metal hacia la junta de soldadura se opera mediante puente líquido (3), de manera a tener un contacto permanente entre el baño (2) de metal en fusión que forma la junta de soldadura y el extremo fundido del alambre de aportación (1).
Description
Soldadura en estado sólido o soldadura TIG con
transferencia de metal mediante puente líquido.
\global\parskip0.940000\baselineskip
La presente invención se refiere a un
procedimiento de soldadura, preferiblemente robotizado, con
portaelectrodos TIG y metal de aportación en forma de uno o varios
alambres fusibles, como se describe en el documento
US-A-3483354.
Se conoce, mediante los documentos
US-A-5512726 y
DE-A-3542984, una configuración
convencional de portaelectrodos TIG con aportación de alambre
fusible, en la que la alimentación del alambre fusible en el baño
de fusión se opera de forma horizontal o casi horizontal, de
manera a obtener una transferencia de metal fundido en gotas desde
el extremo fusible del alambre fundido hacia la zona de soldadura,
es decir las piezas a soldar o soldar en estado sólido entre
sí.
Este tipo de configuración de portaelectrodos
presenta desventajas. Especialmente, siendo la gravedad la única
fuerza presente para transferir el metal hacia la zona de
soldadura, la transferencia de metal por gotas genera un aspecto de
cordón irregular, un riesgo de contaminación del electrodo no
fusible de tungsteno mediante contacto indeseado con una (o más)
gota de metal y, en ocasiones, dificultades para realizar un
trabajo en posición, especialmente en lugares exiguos o de difícil
acceso.
Además, dado que durante la puesta en práctica
de dicho procedimiento es necesaria cierta directividad para
orientar el alambre en el eje de la junta a soldar, se bloquea el
sexto eje del robot que lleva el portaelectrodos TIG, por lo que su
grado de libertad queda limitado.
Además, se conoce que este tipo de configuración
afecta a la productividad del procedimiento, especialmente en
términos de velocidad de soldadura, velocidad de alimentación del
alambre y tasa de depósito.
El problema que se plantea es mejorar los
procedimientos de soldadura robotizada TIG con metal de aportación
existente para poder efectuar soldaduras con una elevada
productividad, especialmente a una velocidad de soldadura de por lo
menos 50 cm/min, y de buena calidad, es decir con ausencia de
proyecciones, silicatos y óxidos, de manera a facilitar la
robotización de los procedimientos TIG con metal de aportación e
incrementar sus prestaciones.
Una solución de la invención es un procedimiento
de soldadura eléctrica en el que se emplea un portaelectrodos TIG
dotado de un electrodo no fusible y un alambre de aportación
fusible, fundiéndose progresivamente el extremo de dicho alambre
fusible por medio de un arco eléctrico generado con el electrodo no
fusible y por lo menos una pieza a soldar, de manera a realizar una
transferencia de metal fundido desde el alambre hacia dicha pieza y
obtener así una junta de soldadura, caracterizado porque la
alimentación del alambre fusible se opera según un ángulo
(\alpha) inferior a 50º con relación al eje del electrodo, el
extremo del alambre fusible es guiado y sujetado continuamente a
una distancia (D) inferior a 2 mm aproximadamente con relación al
extremo del electrodo de tungsteno, y la transferencia de metal
hacia la junta de soldadura se opera mediante puente líquido, de
manera a tener, es decir mantener durante la soldadura, un contacto
permanente entre el baño de metal en fusión que forma la junta de
soldadura y el extremo fundido del alambre de aportación.
Según el caso, el procedimiento de la invención
puede incluir una o varias de las siguientes características:
- se suelda aplicando una velocidad de alambre
(Valambre) de hasta 20 m/min, especialmente entre 1 y 10 m/min
según el diámetro del alambre empleado;
- se sueldan varias piezas metálicas entre
sí;
- la alimentación del alambre fusible se opera
según un ángulo de entre 10 y 25º con relación al eje del
electrodo, preferiblemente de entre 15 y 20º aproximadamente;
- se gula y mantiene constantemente el extremo
del alambre fusible a una distancia inferior a 1,5 mm con relación
al extremo del electrodo de tungsteno del portaelectrodos TIG,
preferible a una distancia del orden de 1 mm aproximadamente. Sin
embargo, en cualquier caso, la superficie del extremo del alambre
no debe entrar en contacto con el electrodo de tungsteno;
- durante la soldadura, se lleva a cabo una
protección gaseosa de la junta de soldadura en formación, del
electrodo de tungsteno y del alambre;
- se lleva a cabo una protección gaseosa
mediante un gas elegido entre el argón, el helio, el nitrógeno y
las mezclas de argón e hidrógeno;
- se lleva a cabo en un brazo de soldadura
robotizado que lleva un portaelectrodos TIG de electrodo no fusible
y medios de alimentación de alambre de soldadura fusible o en
soldadura manual o automática;
- se lleva a cabo para soldar o soldar en estado
sólido una o varias piezas de acero, especialmente acero
galvanizado o cincado, aluminio, aceros inoxidables u otros
materiales metálicos;
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- la intensidad de la corriente que alimenta el
portaelectrodos TIG está incluida entre 10 A y 350 a 400 A, y la
tensión está incluida entre 10 V y 20 V;
- el alambre tiene un diámetro de entre 0,6 mm y
1,6 mm, con una velocidad de alambre de hasta 20 m/min, en función
del diámetro de alambre utilizado.
Por lo tanto, el procedimiento de la invención
se basa en el hecho de realizar una transferencia de metal fundido
en forma de un punto líquido o una vena de metal líquido entre el
alambre de aportación y la zona a soldar, de manera a obtener un
contacto permanente entre el baño de metal en fusión y el metal de
aportación.
Dicho de otro modo, la transferencia de metal no
se efectúa gota a gota, como en la técnica anterior, sino según un
puente líquido de metal en fusión.
La transferencia mediante puente líquido de la
invención puede obtenerse en una horquilla de parámetros de
velocidad de alimentación del alambre amplia y elevada con relación
a los procedimientos TIG convencionales.
Sin embargo, este tipo de transferencia puede
difícilmente obtenerse mediante una configuración de
portaelectrodos convencional ya que, en semejante portaelectrodos,
el alambre está dirigido de manera paralela u horizontal con
relación a la superficie de la o las piezas a soldar y, por lo
tanto, toca el baño de fusión sin transferir en el arco.
Desde ahora, el procedimiento de la invención se
lleva a cabo preferiblemente con un portaelectrodos con alambre
fusible que atraviese la pared de la boquilla según un ángulo
(\alpha) de menos de 50º, por ejemplo un portaelectrodos similar
o idéntico al descrito en el documento
EP-A-1459831.
La alimentación del alambre, que está integrada
en el portaelectrodos, se efectúa según un ángulo (\alpha)
generalmente del orden de entre 10º y 20º, por ejemplo del orden de
entre 15º y 20º, con relación al eje del electrodo no fusible del
electrodo no fusible del portaelectrodos, manteniendo una escasa
distancia entre el extremo del alambre y el extremo del cono del
electrodo de tungsteno, por ejemplo aproximadamente 1 mm o el
diámetro del alambre de aportación.
En cualquier caso, para obtener una
transferencia de metal mediante puente líquido eficaz, se guía y
mantiene en permanencia el extremo del alambre fusible a una
distancia D inferior a 2 mm aproximadamente con relación al extremo
del electrodo de tungsteno, es decir que la distancia entre la
superficie externa del alambre fusible y el electrodo no debe
exceder 2 mm aproximadamente, siendo preferiblemente del orden de 1
mm. En efecto, si la distancia D alambre/electrodo se vuelve
demasiado importante, es decir superior a 2 mm, se hace muy
difícil, incluso imposible, obtener una transferencia mediante
puente liquido eficaz y duradero.
La configuración de dicho portaelectrodos
permite por lo tanto el empleo del procedimiento de transferencia
de metal mediante puente líquido en soldadura robotizada,
automática y manual.
Una variante de la aplicación puede ser una
configuración de portaelectrodos con dos alimentaciones de alambres
situadas en caras opuestas y perpendiculares al plano de junta.
Esto permite efectuar aplicaciones de recarga o aplicarse a la
realización de cordones muy anchos, ya que permite incrementar la
tolerancia al juego entre las piezas a
soldar.
soldar.
La transferencia mediante puente líquido según
la invención presenta las siguientes ventajas:
- punto de impacto por debajo del arco, lo que
facilita el posicionamiento del portaelectrodos;
- transferencia ininterrumpida de metal bien
dirigida en el baño;
- aspecto estético del cordón de soldadura de
alta calidad;
- presencia constante de una fuerza de
transferencia mediante tensión de superficie facilita el trabajo en
posición;
- facilidad de ajuste del parámetro de velocidad
alambre ya que el baño puede absorber un exceso de alambre;
- realización de cordones de soldadura
multidireccionales sin cambio de orientación del alambre a nivel
del portaelectrodos TIG;
- el alambre atraviesa las zonas más calientes
del arco, lo que tiene un efecto de precalentamiento sobre el
alambre e implica un incremento en el rendimiento y la velocidad.
Este fenómeno se parece al procedimiento denominado "alambre
caliente", descrito en el documento
US-A-2791673, donde el
precalentamiento se realiza por efecto julio en el metal de
aportación. Sin embargo, según la invención, la energía de
precalentamiento es aportada directamente por el arco eléctrico, no
por una fuente energética distinta, como en el procedimiento
"alambre caliente";
- después de la soldadura, al extinguirse el
arco, se recorta el alambre en punta, lo que facilita la fusión del
alambre al realizarse un nuevo cordón;
- posibilidad de realizar sinergias de
soldadura, como para el procedimiento de soldadura MIG/MAG. La
velocidad de alambre preferida se da en función de los distintos
parámetros elegidos por el operario: material a ensamblar,
naturaleza y diámetro del alambre de aporte, intensidad, gas
protector, velocidad de soldadura, etc.
La invención se entenderá mejor por medio de las
siguientes explicaciones, con referencia a las figuras
ilustrativas adjuntas.
La Figura 1 ilustra lo que se entiende por
"transferencia mediante puente líquido" según la invención, a
saber el paso ininterrumpido del metal de aporte 3 que se funde en
el arco 5 eléctrico generado por el electrodo 4 de tungsteno entre
el extremo del alambre de aportación 1 y el baño de metal en fusión
2 por medio de una vena o puente de metal líquido 3 en fusión, de
manera a obtener la junta de soldadura 6 deseada entre las piezas 8
a ensamblar mediante soldadura.
Como se puede observar, la entrada del alambre 1
fusible se efectúa según un ángulo (\alpha) generalmente del
orden de entre 10º y 20º, por ejemplo del orden de entre 15º y 20º,
con relación al eje del electrodo 4 no fusible de tungsteno, y la
superficie o extremo del alambre fusible 1 es guiada y mantenida en
permanencia a una distancia (D) inferior a 2 mm con relación a la
superficie del extremo del electrodo 4 de tungsteno.
En la Figura 2 se esquematiza una transferencia
por gotas 7 según la técnica anterior. En este caso, no existe
puente líquido permanente alguno entre el electrodo 4 y el baño de
soldadura 2 y, además, el extremo del alambre fusible no es
habitualmente guiado o mantenido en permanencia a una distancia
inferior a 2 mm con relación al extremo cónico del electrodo.
La figura 3 ilustra la frecuencia de las gotas
en función de la velocidad de alambre para una intensidad de 200
A, una velocidad de soldadura de 2 m/min y un alambre de CuSi3 de 1
mm de diámetro.
En el ámbito de la transferencia por gotas, el
incremento de la velocidad de alambre implica el aumento de la
frecuencia de goteo hasta tener el aspecto de un umbral de paso en
transferencia mediante vena líquida con frecuencia de goteo
nula.
La siguiente tabla muestra ejemplos de
parámetros de soldadura a adoptar para poner en práctica el
procedimiento de la invención en el caso de una velocidad de
soldadura (Vs) de entre 100 y 200 cm/min, para un ángulo de alambre
del orden de entre 15º y 20º y una distancia (D) electrodo/alambre
de 1 mm aproximadamente.
Las velocidades de alambre mínima (Va min.) y
máxima (Va máx.) son las que se deben aplicar para alcanzar la
transferencia mediante puente líquido. Por debajo de dichas
velocidades, se obtiene una transferencia mediante gotas, mientras
que por encima, se obtienen perturbaciones en el procedimiento.
Los modos de transferencia pueden conseguirse en
cualquier tipo de material y en distintas configuraciones de
junta: de tope, de solapa, ángulos y bordes abatidos.
Además, con objeto de validar el procedimiento
de la invención, se han realizado pruebas de duración de vida del
electrodo de tungsteno.
Dichas pruebas de duración de vida del electrodo
se realizaron con piezas de acero galvanizado con revestimiento de
cinc superficial de 20 \mum de grosor, primero sin metal de
aportación.
En estas condiciones, se han podido realizar 240
cordones de 1 m de largo, con 240 cebados/cordones, y se ha
soldado una duración total de 240 min sin cambio de electrodo. Sin
embargo, después de dichos 240 cebados/cordones, el electrodo de
tungsteno presenta, en su parte terminal, un desgaste, es decir la
aparición de nódulos de tungsteno.
Se repitió la prueba en las mismas condiciones,
pero con alambre fusible de aportación y "puente líquido", de
conformidad con la presente invención.
En este caso, se pudieron realizar 270
cebados/cordones, es decir 30 cordones más, sin la aparición
notable de nódulos en el extremo del electrodo.
Además, se observó un efecto protector del
alambre de aportación contra la contaminación del electrodo
mediante vapores de cinc procedentes del revestimiento de las
piezas a soldar, dado que el alambre forma "pantalla" frente a
los vapores de cinc, impidiendo que contaminen el electrodo de
tungsteno.
Dichas pruebas muestran la eficacia del
procedimiento de la invención, ya que permite incrementar en cerca
del 10% el número de cebados y, por lo tanto, de cordones
realizables con un mismo electrodo de tungsteno, en las condiciones
anteriores, es decir con aportación de alambre fusible.
Optimizando los parámetros y condiciones de
soldadura, se puede esperar incluso obtener una mejora aún
mayor.
El procedimiento de la invención puede
utilizarse para la soldadura de cualquier tipo de material y con
juntas de distintas configuraciones, especialmente de tope, de
solapa o ángulos y bordes abatidos.
Claims (11)
1. Procedimiento de soldadura con arco en el que
se emplea un portaelectrodos TIG dotado de un electrodo (4) no
fusible y un alambre de aportación fusible (1), fundiéndose
progresivamente el extremo de dicho alambre fusible (1) por medio
de un arco eléctrico (5) generado entre el electrodo no fusible (4)
y por lo menos una pieza (8) a soldar, de manera a realizar una
transferencia de metal fundido desde el alambre hacia dicha pieza y
obtener así una junta de soldadura (6), realizándose la
alimentación de alambre fusible (1) según un ángulo (\alpha)
inferior a 50º con relación al eje del electrodo,
caracterizado porque:
- el extremo del alambre fusible (1) es guiado y
mantenido en permanencia a una distancia (D) inferior a 2 mm con
relación al extremo del electrodo (4) de tungsteno del
portaelectrodos TIG, y
- la transferencia de metal hacia la junta de
soldadura se opera mediante puente líquido (3), de manera a tener
un contacto permanente entre el baño (2) de metal en fusión que
forma la junta de soldadura y el extremo fundido del alambre de
aportación (1).
2. Procedimiento según la reivindicación 1,
caracterizado porque se suelda aplicando una velocidad de
alambre (Valambre) de hasta 20 m/min, especialmente entre 1 y 10
m/mn.
3. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 1 o 2, caracterizado porque la alimentación
de alambre fusible se opera según un ángulo (\alpha) de entre 10
y 25º con relación al eje del electrodo.
4. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque se guía y
mantiene en permanencia el extremo del alambre fusible a una
distancia (D) inferior a 1,5 mm con relación al extremo del
electrodo de tungsteno del portaelectrodos TIG, preferiblemente del
orden de 1 mm aproximadamente.
5. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque, durante la
soldadura, se opera una protección gaseosa de la junta de soldadura
en formación, del electrodo de tungsteno y del alambre.
6. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque se opera una
protección gaseosa mediante un gas elegido entre el argón, helio,
nitrógeno y las mezclas de argón e hidrógeno.
7. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque se aplica en un
brazo de soldadura robotizado que lleva un portaelectrodos TIG con
electrodo no fusible y medios de alimentación de alambre de
soldadura fusible, o en soldadura manual o automática.
8. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque se emplea para
soldar una o varias piezas de acero, especialmente acero
galvanizado o cincado, aluminio, aceros inoxidables u otros
materiales metálicos.
9. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 1 a 8, caracterizado porque la intensidad de
la corriente que alimenta el portaelectrodos TIG está incluida
entre 10 A y 400 A, y la tensión está incluida entre 10 V y 20
V.
10. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 1 a 9, caracterizado porque el alambre
tiene un diámetro incluido entre 0,6 mm y 1,6 mm.
11. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 1 a 10, caracterizado porque se sueldan
entre sí varias piezas metálicas.
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