Fundamentos de la soldadura por arco metálico protegido – FABTECH U.S.A.

Básicos de la soldadura por arco metálico protegido

Se explican los fundamentos de este proceso tan utilizado y versátil

En la soldadura por arco metálico protegido (SMAW), se utiliza un arco entre un electrodo cubierto y un charco de soldadura para lograr una soldadura. A medida que el soldador introduce constantemente el electrodo revestido en el baño de soldadura, la descomposición del revestimiento se convierte en gases que protegen el baño. El proceso se utiliza sin aplicar presión y con el metal de aportación del electrodo revestido. El metal de soldadura sólido depositado por el proceso se utiliza tanto para la unión como para la aplicación de una superficie funcional a los productos metálicos.
Debido a las muchas variaciones posibles en la composición del recubrimiento del electrodo y a la gran selección de la química del alambre del núcleo, el proceso puede producir una amplia gama de depósitos de metal de soldadura con las propiedades mecánicas y físicas deseables, a la vez que proporciona un arco suave, características uniformes de transferencia de metal y facilidad de funcionamiento. Es uno de los procesos de soldadura más antiguos y sencillos y sigue siendo ampliamente utilizado.

La sencillez del proceso se extiende al número y naturaleza de los componentes del circuito necesarios, que son los siguientes:
1. Una fuente de corriente y ciclo de trabajo adecuados
2. Un electrodo SMAW compatible con la salida de la fuente de corriente
3. Un cable de soldadura de tamaño adecuado
4. Un portaelectrodos
5. Un cable para la pieza de trabajo.

Fundamentos del proceso

La característica distintiva de SMAW es la presencia física de la cubierta/revestimiento que rodea el alambre central del electrodo consumible. La varilla revestida se denomina electrodo porque funciona como el terminal a partir del cual el flujo eléctrico cambia del sólido conductor al plasma conductor del arco de soldadura.
Para cualquier aplicación determinada, el electrodo debe cumplir los tres criterios siguientes:
1. Debe apantallar el arco y el metal de soldadura.
2. Debe añadir metal a la soldadura.
3. Debe mantener un arco de soldadura.

Los componentes del recubrimiento cumplen estas funciones. Cuando se calienta lo suficiente, los ingredientes del recubrimiento hacen lo siguiente:
1. Se descomponen en gases y desplazan el aire en el lugar de la soldadura, proporcionando así un escudo para el arco y el metal de soldadura;
2. Se ionizan para soportar el plasma del arco;
3. Funden el metal fundido y, al enfriarse, forman una cubierta protectora de escoria en el cordón de soldadura.
La cubierta también puede contener polvos metálicos que mejoran la contribución metálica del electrodo al baño de soldadura.

Principios de funcionamiento

El proceso SMAW utiliza un circuito eléctrico que soporta un arco de soldadura para convertir la potencia de la línea eléctrica o el combustible en calor. El calor del arco de soldadura es intenso y extremadamente concentrado. Funde inmediatamente una parte de la pieza y el extremo del electrodo. El soldador mantiene la longitud del arco manteniendo un espacio constante entre el electrodo y el baño de soldadura que se forma en la pieza. Cuando se retira el arco, el líquido se funde y la masa fundida se solidifica en metal continuo.

Como se muestra en el esquema de la Fig. 1, la fuente de alimentación se conecta en un circuito con el electrodo y la pieza de trabajo en serie. El cable de soldadura utilizado en el circuito, el portaelectrodo y la conexión entre el cable y la pieza de trabajo son también elementos importantes del circuito. La fuente de alimentación tiene dos terminales de salida distintos. Desde un terminal se realiza la conexión al electrodo. Cuando se utiliza corriente continua (CC), el terminal adecuado para la conexión del electrodo está determinado por la polaridad requerida para ese tipo de electrodo. Cuando se utiliza corriente alterna (CA), el electrodo puede conectarse a cualquiera de los dos terminales. El circuito está abierto entre la pieza de trabajo y el electrodo.
Mientras el electrodo SMAW se mantenga alejado de la pieza de trabajo, el
circuito permanece abierto y se puede utilizar un voltímetro para medir la caída de tensión entre el portaelectrodo
y la pieza de trabajo para esta condición de circuito abierto (pre-soldadura).

Electrodos recubiertos

Todos los electrodos SMAW tienen un recubrimiento con componentes que facilitan el proceso de soldadura y añaden elementos de aleación que confieren propiedades útiles a la soldadura. Sin el recubrimiento, el arco sería muy difícil de mantener, el depósito de soldadura sería frágil con el oxígeno y el nitrógeno disueltos, el cordón de soldadura sería opaco y de forma irregular, y la pieza quedaría socavada.

Los fabricantes de electrodos aplican el recubrimiento en los electrodos SMAW por extrusión o por inmersión. La extrusión
es mucho más utilizada y se consigue mezclando los componentes secos con silicatos líquidos. El proceso de inmersión se emplea principalmente para los electrodos SMAW utilizados para soldar hierro fundido y para algunos electrodos especiales que tienen un núcleo de alambre complejo.

El recubrimiento contiene la mayor parte de los materiales estabilizadores, protectores, fundentes, desoxidantes y formadores de escoria esenciales para el proceso. Además de sostener el arco y suministrar metal de aportación para el depósito de soldadura, la descomposición del recubrimiento del electrodo introduce otros materiales clave en el arco o alrededor de él, o ambos. Dependiendo del tipo de electrodo que se utilice, el recubrimiento del electrodo proporciona lo siguiente:
1. Un gas para proteger el arco y evitar la excesiva contaminación atmosférica del metal fundido;
2. Desoxidantes para reaccionar con los elementos gaseosos disueltos que pueden causar porosidad y reducir su nivel;
3. Agentes fundentes para acelerar las reacciones químicas y limpiar el baño de soldadura;
4. Una manta de escoria para proteger el metal de soldadura caliente del aire y mejorar las propiedades mecánicas, la forma del cordón y la limpieza de la superficie del metal de soldadura;
5. Elementos de aleación para conseguir la microestructura deseada;
6. Elementos y compuestos para controlar el crecimiento del grano;
7. Materiales de aleación para mejorar las propiedades mecánicas del metal de soldadura;
8. Elementos que afectan a la forma del baño de soldadura;
9. Elementos que afectan a la humectación de la pieza y a la viscosidad del metal de soldadura líquido; y
10. Estabilizadores para ayudar a establecer las características eléctricas deseables del electrodo y minimizar las salpicaduras.

Los compuestos químicos del recubrimiento, en combinación con la composición del alambre del núcleo, crean propiedades mecánicas únicas en la soldadura y mejoran las características de la misma, como la estabilidad del arco, el tipo de transferencia de metal y la escoria. Los diferentes tipos de electrodos están formulados no sólo para soldar diferentes metales, sino también para optimizar ciertas características del proceso y obtener una ventaja en un área particular de
aplicación.

Escudo del arco

La acción de blindaje del proceso ilustrado en la Fig. 2 es esencialmente la misma para todos los electrodos SMAW, pero el método específico de apantallamiento y el volumen de escoria producido varían de un tipo de electrodo a otro.
Como se representa en la Fig. 2, hay dos mecanismos que actúan para evitar el efecto perjudicial sobre el baño de soldadura causado por los gases contenidos en el aire. El primero es el desplazamiento forzado del aire por los gases producidos por la combustión y descomposición del recubrimiento del electrodo. El segundo es la acción de recubrimiento del fundente o de la escoria, que impide la difusión de los componentes del aire en el metal líquido. Los recubrimientos de los electrodos varían en su dependencia de estos dos mecanismos para proporcionar la acción de protección más ventajosa para una soldadura específica.

Ventajas del proceso

Una ventaja principal de SMAW es la gran variedad de metales y aleaciones que el proceso es capaz de soldar. Existen procedimientos y electrodos para soldar aceros al carbono y de baja aleación, aceros de alta aleación, aceros revestidos, aceros para herramientas y matrices, aceros inoxidables y resistentes al calor, hierros fundidos, cobre y aleaciones de cobre, además de aleaciones de níquel y cobalto.
Las siguientes son otras ventajas del proceso:
1. El equipo es relativamente sencillo, barato y portátil.
2. El electrodo SMAW proporciona tanto la protección como el metal de aportación para realizar una soldadura sólida.
3. No se requiere gas auxiliar de protección ni fundente granular.
4. El proceso es menos sensible al viento y a las corrientes de aire que los procesos de soldadura por arco con protección de gas.
5. Las dimensiones de los electrodos SMAW son ideales para llegar a zonas de acceso limitado (los electrodos pueden doblarse y, con la ayuda de espejos, aplicarse en puntos ciegos).
6. El proceso es adecuado para la mayoría de los metales y aleaciones de uso común.
7. El proceso es flexible y puede aplicarse a una gran variedad de configuraciones de juntas y posiciones de soldadura.
8. Pueden obtenerse resultados óptimos de forma fácil y fiable.

Limitaciones del proceso

1. Los metales con bajas temperaturas de fusión, como el plomo, el estaño y el zinc, y sus aleaciones no se sueldan con SMAW. Estos metales tienen puntos de ebullición relativamente bajos y el intenso calor del arco SMAW provoca inmediatamente su vaporización desde el estado sólido. La soldadura por arco metálico protegido tampoco es adecuada para metales reactivos como el titanio, el circonio, el tantalio y el niobio, porque el blindaje proporcionado no es lo suficientemente inerte como para evitar la contaminación de la soldadura.
2. El proceso produce tasas de deposición más bajas que los procesos de soldadura por arco metálico con gas (GMAW) y soldadura por arco con núcleo de fundente (FCAW). La tasa de deposición es menor porque la corriente útil máxima es limitada.
3. Si el electrodo es demasiado largo o si la corriente es demasiado alta, la cantidad de calor generada dentro del electrodo SMAW será excesiva. Una vez iniciada la soldadura, la temperatura del recubrimiento acabará por elevarse hasta un rango que provocará la rotura prematura del mismo. Esa ruptura, a su vez, provoca un deterioro de las características del arco y reduce el nivel de blindaje. En consecuencia, la soldadura debe detenerse antes de que el electrodo se haya consumido por completo. Por lo tanto, la cantidad de corriente que se puede utilizar está limitada dentro de un rango que evita el sobrecalentamiento del electrodo y la ruptura del revestimiento. La limitación de la corriente útil da lugar a tasas de deposición generalmente más bajas que las que se pueden obtener con GMAW o FCAW.
4. La pérdida de la varilla es otro inconveniente inherente. El stub es el extremo de agarre del electrodo SMAW que se desecha. Consiste en el alambre central dentro de la empuñadura del portaelectrodo y una pequeña porción de la longitud cubierta. La pérdida de la barra afecta a la eficiencia de la deposición, no a la tasa de deposición. Una mayor pérdida en el tubo se traduce directamente en una menor eficiencia de deposición.
5. El factor del operario – tiempo de arco como porcentaje del tiempo total de trabajo del soldador – para SMAW suele ser menor que el obtenido con un proceso de electrodo continuo como GMAW o FCAW.
Cuando la soldadura requiere un gran volumen de metal de aportación, la combinación de bajas tasas de deposición y
un factor del operario más bajo resta valor al uso de SMAW. En estos casos, la tasa de terminación de la soldadura puede ser demasiado lenta y el coste de la soldadura relativamente alto.

Basado en información del Welding Handbook, 9th edition, Volume 2, Welding Processes Part 1 y The Everyday Pocket Handbook for Shielded Metal Arc Welding (SMAW), American Welding Society,
Miami, Fla.