Soldadura por Arco Manual con Electrodo Revestidos

Índice

Introducción.

En el año 1.904 tiene lugar en Suecia un hecho de trascendencia para el desarrollo de la soldadura. Oscar Kjellberg descubre el electrodo recubierto y aunque la era industrial de la unión soldada por arco eléctrico empieza en Europa a comienzos dela década de los 50, ya se realizaron uniones de este tipo a principios de nutro siglo.

1. Principios del proceso.

En este proceso de soldadura, también llamado Manual Metal Arc (MMA), se caracteriza porque se produce un arco eléctrico entre la pieza a soldar y un electrodo metálico recubierto.

Con el calor producido por el arco, se funde el extremo del electrodo y se quema el revestimiento, produciéndose la atmósfera adecuada para que se produzca la transferencia de las gotas del metal fundido desde el alma del electrodo hasta el baño de fusión en el material de base.

En el arco las gotas del metal fundido se proyectan recubiertas de escoria fundida procedente del recubrimiento que por efecto de la tensión superficial y de la viscosidad flota en la superficie, solidificando y formando una capa de escoria protectora del baño fundido.

2. Electrodos, Fabricación.

El material de aportación que se usa en el proceso MMA se conoce como electrodo y consiste en una varilla metálica, generalmente acero, recubierta de un revestimiento concéntrico de flux extruido y seco. La fabricación de electrodos se realiza en dos líneas en paralelo: varilla o alma, y revestimiento.

Fabricación de la varilla.

La materia prima el alambrón de 6 a 8 mm de diámetro, que la siderurgia suministra en rollos o bobinas, de aproximadamente 1.000 Kg. El fabricante comprueba la composición a partir del análisis químico de un despunte de la bobina y posteriormente ésta pasa a una devanadora protegida por una campana metálica, en donde el alambrón se retuerce y despende el óxido adherido en el tren de laminado en caliente. A esta etapa se le denomina decapado mecánico. Al ser la fabricación de electrodos un proceso continuo, los extremos de cada bobina se empalman por resistencia eléctrica, eliminando las rebabas de la soldadura con muela de esmeril.

Seguidamente el alambrón pasa a las cajas de trefilado donde tiene lugar una reducción progresiva de diámetro hasta el deseado, utilizando sustancias lubricantes para facilitar la operación y evitar un endurecimiento del alambre, que le haga quebradizo. A continuación se desengrasa o se lava con agua el polvo de jabón adherido a su superficie. Los diámetros del almo son normalmente 1.6, 2, 2.5, 3, 3.25, 4, 5 y 6 mm, siendo los más utilizados los señalados en negrita. Una máquina endereza y corta las varillas a un ritmo entre 580 y 1400 cortes/minuto, en función de su diámetro.

Fabricación del revestimiento.

Para el revestimiento se suelen utilizar hasta cuarenta minerales y sustancias distintas, como arena de zirconio, rutilo, celulosa, caolín, mármol, polvo de hierro, FeSi, FeTi, FeMn, etc. Se realiza un análisis individualizado de la calidad y composición de estos productos.

La selección, origen y dosificación de cada componente que va a intervenir en la composición del revestimiento es un secreto celosamente guardado fabricante. Una vez escogido cada componente, se machaca y criba hasta conseguir la granulometría adecuada y se dosifica mediante un programa de computadora, pasando de un sistema de tolvas específicas de cada producto a una tolva central, donde seguidamente se homogenizan mediante vibradores distribuyéndose después la mezcla en tolvas destinadas a producción.

Para aglutinar la mezcla seca y darle consistencia se agrega silicato sódico o silicato potásico. Una vez obtenida la mezcla húmeda se vierte en una prensa en donde penetra la varilla por un lado saliendo recubierta en toda su longitud por el lado opuesto. Se comprueba la excentricidad del recubrimiento y se cepillan ambos extremos de la varilla revestida. Uno, para el ajuste de la pinza portaelectrodos y el otro, para facilitar el cebado de arco. Se marcan con la identificación del fabricante y el tipo de electrodo según American Welding Society, AWS.

El secado previo se lleva a cabo haciéndolos pasar por un horno de funcionamiento continuo, cuya temperatura se incrementa gradualmente para evitar que se agriete y se desprenda el revestimiento. Para electrodos tipo rutilo normal, el secado previo a una temperatura es de aproximadamente 100 °C es suficiente. Para electrodos básicos, después de este secado previo se pasan a hornos convencionales de aire para darles un secado final a 400-450 °C, con el fin de que el contenido de H2O a 1.000 °C según AWS, sea inferior a 0,4%. De esta forma nos aseguramos que el contenido de hidrógeno sea inferior a 10 cc. por cada 100 gr/metal depositado.

Posteriormente se empaquetan en cajas de cartón o metálicas. Aquéllas suelen protegerse de la humedad con plástico termorretráctil. En general, debe seguirse la regla de que los materiales de aporte deben embalarse de tal forma que no sufran deterioros, ni se humedezcan, ni se sequen.

3. Revestimientos.

Composición del revestimiento.

La composición de los revestimientos suele ser muy compleja. Se trata generalmente de una serie de sustancias orgánicas y minerales. En la fabricación de la pasta para el revestimiento suelen intervenir:

• óxidos naturales: óxidos de hierro, ilemita (50% óxido férrico y 50% óxido de titanio), rutilo (óxido de titanio), sílice (óxido de silicio).
• silicatos naturales: caolín, talco, mica, feldepasto…
• productos volátiles: celulosa, serrín…
• fundentes
• productos químicos: carbonatos, óxidos…
• ferroaleaciones: de Mn, Si, Ti…
• aglomerantes: silicato sódico, silicato potásico.

Sin embargo, la naturaleza, dosificación y origen de los componentes permanece en secreto por parte del fabricante que en la práctica se limita a garantizar la composición química del metal depositados y sus características mecánicas: carga de rotura, límite elástico, alargamiento y resilencia (tenacidad).

Funciones del revestimiento.

Eléctrica.

1. Cebado de arco. En general, las sustancias que se descomponen produciendo gases fácilmente disociables exigen tensiones de cebado de arco más elevadas, debido al calor absorbido en la disociación, que es un proceso endotérmico. Con corriente alterna, se necesitan tensiones de cebado más altas. Los silicatos, carbonatos, óxidos de Fe, óxidos de Ti, favorecen el cebado y el mantenimiento del arco
2. Estabilidad del arco. La estabilidad del arco depende, entre otros factores, del estado de ionización de los gases comprendidos entre el ánodo y el cátodo. Para un arco en corriente alterna es imprescindible un medio fuertemente ionizado. Por este motivo se añaden al revestimiento, entre otras sustancias, sales de sodio y de potasio.

Física.

Una misión fundamental del revestimiento es evitar que el metal fundido entre en contacto con el oxígeno, el nitrógeno y el hidrógeno del aire, ya sea por la formación de un gas protector alrededor del camino que han de seguir las gotas del metal fundido y después, mediante la formación de una abundante escoria que flota por encima del baño de fusión.

El revestimiento debe ser versátil y permitir generalmente la soldadura en todas las posiciones. En ello interviene dos factores:

1. el propio espesor del revestimiento.
2. su naturaleza, que determina la viscosidad de la escoria, que es necesaria para mantener la gota en su lugar a través de su propia tensión superficial y para proteger el baño fundido del contacto con el aire.

El revestimiento del electrodo se consume en el arco con una velocidad lineal menor que el alma metálica del mismo. Como resultado, el recubrimiento queda prolongado sobre el extremo del alma y forma un cráter que sirve para dirigir y concentrar el chorro del arco, disminuyendo sus pérdidas térmicas.

Metalúrgica.

El revestimiento dispone de elementos que se disuelven en el metal fundido con objeto de mejorar las características mecánicas del metal depositado.

La escoria:

• reduce la velocidad de enfriamiento de la soldadura por su efecto aislante;
• reduce el número de inclusiones en la soldadura, al eliminar un gran número de impurezas;
• produce en el baño una verdadera micrometalurgia, desoxidando, desnitrurando, desfosforando y desulfurando el metal fundido;
• aisla el baño de elementos con los que tiene gran afinidad: oxígeno, nitrógeno, hidrógeno ya sea a través de escorias o gases protectores.

4. Especificaciones.

Las especificaciones actuales de la American Welding Society a que obedecen son:

Se describirá brevemente el contenido de estas especificaciones.

Electrodos de acero al carbono.

Estos electrodos se clasifican de acuerdo con los criterios siguientes:

• Tipo de corriente a utilizar.
• Tipo de recubrimiento.
• Posición de soldadura aconsejable.
• Composición química del metal depositado.
• Propiedades mecánicas del metal depositado.

Electrodos de aceros de baja aleación.

Estos electrodos se clasifican de acuerdo con idénticos criterios que los de acero al carbono, e incluyen las clases siguientes:

• Clase A: Aceros al carbono-molibdeno.
• Clase B: Aceros al cromo-molibdeno.
• Clase C: Aceros al níquel.
• Clase D: Aceros al manganeso-molibdeno.
• Clase N: Aceros al níquel-molibdeno.
• Clase G: Aceros de baja aleación, no incluidos en las otras clases.

Electrodos de aceros inoxidables.

Estos electrodos se clasifican de acuerdo con su composición química, propiedades mecánicas y tipo de corriente e incluyen aceros en los que el cromo excede del 4% y el níquel no supera el 37% de la aleación.

5. Características y propiedades de los electrodos

Electrodos ácidos.

Clasificación AWS de electrodos para aceros al carbono: AWS-E-6020.

Características específicas.

Estos electrodos contienen una adecuada proporción de productos desoxidantes en forma de ferroaleaciones, FesI, FeMn. Sin embargo, el contenido de Si en el cordón se mantiene bajo por lo que el metal aportado contiene siempre una cierta cantidad de oxígeno y, en consecuencia, la resiliencia de la unión es solamente mediana.

Escorias.

Pertenecen al sistema FeO-SiO2-MnO y contienen una gran proporción de silicatos de Fe (fayalita) y de Mn (rodonita), así como óxidos libres FeO y MnO. La reacción es ácida, o sea, disuelve los óxidos básicos, tales como el MnO. En consecuencia, gran parte del Mn se desplaza a la escoria. Este enriquecimiento en Mn disminuye la viscosidad, proporcionando un cordón de aspecto liso y facilitando el soldeo.

La escoria de los electrodos típicamente ácidos es abundante, de color negro y adquiere al solidificar una estructura esponjosa que tiende a hacerse más compacta y vítrea a medida que disminuye la acidez. Se separa con bastante facilidad. Por su abundante escoria se requiere soldar con mayor intensidad e inclinación adecuada del electrodo, para evitar que la escoria se anticipe al metal fundido.

Metal depositado.

Estos electrodos confieren al metal depositado un contenido de H2 e impurezas relativamente alto. A menudo, el cordón contiene escorias. La soldabilidad del metal base debe ser buena, pues en caso contrario pueden producirse grietas en caliente. Esta susceptibilidad es función de la acidez de la escoria y disminuye a medida que tiende a la neutralidad.

Parámetros de uso

Tensión de cebado: entre los 30 y 40 V.

Tensión de funcionamiento: aproximadamente 25 V.

Arco.

Son electrodos de fusión rápida, facilitada en parte por el calor que produce la oxidación del Mn. Pueden emplearse con intensidades de corriente elevadas. Se usan normalmente sólo en corriente continua y electrodo unido al polo negativo.

Rendimiento gravimétrico.

El rendimiento gravimétrico estándar es del 95%.

Aplicaciones.

Destinados para soldar aceros normales de construcción, de resistencia inferios a 48 Kg/mm2. Se solía utilizar en juntas a tope o en V en calderería cuando se requería un buen aspecto del cordón. También por su facilidad en proporcionar cordones lisos en juntas en ángulo o solapadas.

En este tipo de electrodos, que hace unas décadas dominaba el mercado, ha ido siendo sustituido progresivamente por los rutilos y básicos. En la actualidad se encuentran prácticamente en desuso, pues su cuota de consumo no alcanza el 2% del mercado español.

Electrodos celulósicos.

Clasificación AWS de electrodos para aceros al carbono: AWS-E-6010 (Na) y AWS-E-6011 (K).

Características específicas.

En estos electrodos la celulosa, obtenida a partir de la pulpa de la madera, es el componente principal. Esta sustancia orgánica se descompone por el calor desarrollados en el arco, proporcionando un gas protector que aísla y protege de la oxidación al Mn y al resto de los componentes. Las reacciones de reducción se desarrollan en una atmósfera de hidrógeno que cubre el metal fundido.

Escoria.

Es poco voluminosa ya que, recordemos, la protección del baño es esencialmente de tipo gaseoso. Se desprende con facilidad.

Arco.

Producen una gran penetración gracias al hidrógeno procedente de la celulosa que el calor del arco libera. La velocidad de soldeo el elevada. Se producen, sin embargo, abundantes pérdidas por salpicaduras.

Metal depositado.

El metal depositados por estos electrodos carece prácticamente de oxígeno (O2 £ 0,02%). En cambio, contiene una gran cantidad de hidrógeno (15-25 cm3 por cada 100 gr. de metal depositado). La superficie del cordón es rugosa y éste se enfría rápidamente.

Rendimiento gravimétrico.

El arco produce un fuerte chisporroteo, con abundantes pérdidas por salpicaduras. El rendimiento estándar suele ser inferior al 90%.

Seguridad de uso.

Los electrodos celulósicos producen una gran cantidad de humos. Por ello, es recomendable evitar su uso en recintos cerrados, como el interior de calderas, cisternas, recipientes, etc. Por otra parte, lo enérgico del arco aconseja emplear con más rigor los materiales de protección, tales como gorras, guantes, mandiles, polainas, etc. Los electrodos celulósicos no deben resecarse nunca.

Aplicaciones.

Aunque son adecuados para soldar en todas las posiciones, se suelen emplear exclusivamente para soldar tubería en vertical descendente, porque:

• producen muy poca escoria.
• se manejan con facilidad.
• consiguen una buena penetración en el cordón de raíz, en esta posición.

Su uso se está generalizando en oleoductos, y gasoductos en donde resulta ventajoso soldar en todas las posiciones, sin cambiar los parámetros de soldeo. También son adecuados en aplicaciones en donde se pretenda conseguir una buena penetración.

Electrodos de rutilo.

Clasificación AWS de electrodos para aceros al carbono: AWS-E-6012 (Na) y AWS-E-6013 (K).

Características específicas.

El principal componente de estos electrodos es el rutilo, mineral obtenido a partir de menas que en su estado natural contienen de un 88-94% de TiO2. También puede extraerse de la ilemita, mineral compuesto por un 45-55% de TiO2 y el resto de Fe2O3. La protección en estos electrodos la proporciona la escoria.

Escorias.

Pertenecen al sistema TiO2-FeO-MnO que dan como resultado titanatos de hierro o titanatos complejos. La escoria, de aspecto globular o semiglobular, tiene la viscosidad adecuada para permitir la soldadura de elementos con ajuste deficiente o cuando entre los bordes a unir existe una distancia excesiva, resultando los electrodos de rutilo idóneos en la soldadura con defectuosa preparación de juntas. La escoria se elimina con facilidad.

Metal depositado.

Contiene un buen número de inclusiones. El nivel de impurezas es intermedio entre el que presentan los electrodos ácidos y los básicos. El contenido de hidrógeno puede llegar a fragilizar las soldaduras. El contorno de las costuras en ángulo oscila entre convexo en el AWS-E-6012 a prácticamente plano en el AWS-E-6013. en cualquiera de los casos, el cordón presenta un buen aspecto.

Arco.

Fácil encendido y reecendido, incluso con elevadas tensiones de vacío en la fuente de corriente. La pequeña proporción de celulosa del revestimiento permite una elevada intensidad de corriente. La cantidad de elementos refractarios del recubrimiento origina un arco tranquilo, de mediana penetración.

Parámetros de uso.

Tensión de cebado: entre 40 y 50 V.

Se emplean con corriente alterna o con corriente continua, en ambas polaridades.

Rendimiento gravimétrico.

El rendimiento gravimétrico estándar está comprendido entre el 90 y el 100%.

Aplicaciones.

Estos electros, fáciles de encender y reencender, poco sensibles a la humedad, escasas salpicaduras y favorable eliminación de escoria, que permiten una razonable velocidad de soldeo constituyen una gama de consumibles muy apreciada.

Resultan por su fácil manejo en cualquier clase de montaje, la escasa influencia de las condiciones ambientales y por ser adecuados para emplearse en todas las posiciones, idóneos para todo tipo de soldaduras siempre que no se requiera una elevada tenacidad. Los principales campos de aplicación son las estructuras metálicas, en construcciones de calderas y construcciones navales.

Electrodos básicos.

Clasificación AWS de electrodos para aceros al carbono: AWS-E-7015 (Na) poco frecuentes y AWS-E-7016 (K) muy utilizados

Características específicas.

Los componentes principales son el carburo cálcico y el fluoruro cálcico. El revestimiento, que no contiene celulosa ni arcilla, proporciona un gas protector a base de CO2 procedente del mármol y del fluoruro de silicio formado a partir de la fluorita e espato flúor, en reacción con el SiO2. Funden a temperaturas muy elevadas (aprox. 2.000 °C), razón por la cual necesitan un fundente en su composición, como el espato flúor.

La elevada proporción de TiO2 y de silicato potásico, permiten su uso en corriente alterna. Son fuertemente higroscópicos, por lo que precisan de ciertas precauciones para evitar que una retención de humedad origine porosidades en el metal depositado y fisuraciones bajo el cordón en el soldeo de aceros ferríticos de alta resistencia o límite elástico.

Escorias.

Pertenecen a los sistemas CaO-SiO2, 2CaO-SiO2 y 3Cao-SiO2. La escoria es poco abundante, de color pardo y aspecto brillante. Su fluidez se controla agregando espato flúor al revestimiento. Sube a la superficie con rapidez por lo que son poco probables las inclusiones. Se elimina con menos facilidad que la de los otros tipos de electrodos.

Arco.

En general, la velocidad de fusión no es elevada ni tampoco soportan grandes intensidades de corriente. Ofrecen una velocidad de soldeo razonable en posición horizontal o cornisa y más rápida en vertical ascendente, porque es esta posición admiten una intensidad de corriente más alta que otros electrodos.

La longitud de arco es más corta que en el caso de los rutilos. La tensión de cebado es elevada, aprox. 65 V. Por esta razón, algunos fabricantes proceden a impregnar de grafito, excelente conductor eléctrico, uno de los extremos del electrodo, para facilitar de esta manera el encendido del arco. Los básicos son más difíciles de manejar que los otros electrodos.

Rendimiento gravimétrico.

Oscila en torno al 110%.

Metal depositado.

En el momento de la fusión se produce una verdadera micrometalurgia, con fijación de elementos metálicos en el metal fundido. Pueden obtenerse así, por adición de elementos adecuados tales como Mn, Cr, Ni, Mo, etc. soldaduras de elevadas características mecánicas y de alta resistencia contra determinados agentes corrosivos. El metal depositados se encuentra prácticamente exento de impurezas, libre de hidrógeno ( H2 £ 10 ppm) y de porosidad, si el revestimiento está seco. Posee además una elevada capacidad de deformación (d aprox. 30%) y presenta una alta tenacidad.

Precauciones específicas.

Si el electrodo, por su higroscopicidad, ha captado humedad deposita un metal poco dúctil y, en determinadas circunstancias, propenso a fisuración bajo el cordón. Para evitar ambos fenómenos, los electrodos básicos que hayan estado expuestos a un ambiente húmedo, deben secarse siguiendo estrictamente las recomendaciones de su fabricante.

La temperatura de secado en horno o estufa y el tiempo necesario de permanencia a esa temperatura deben ser los adecuados a la composición del revestimiento, que sólo el fabricante conoce la exactitud. En efecto, la humedad absorbida se encuentra en forma de hidrato lo que requiere temperaturas elevadas para extraer el agua atrapada en los cristales.

Aplicaciones.

El campo de aplicación es muy amplio. Una de las ventajas de los electrodos básicos es que pueden eliminar el S por su reacción con el Mn, formando compuestos que pasan a la escoria, por lo que la soldadura realizada con este tipo de electrodos muestra una gran resistencia al agrietamiento en caliente.

El metal depositado es poco sensible a la fisuración, incluso en soldadura sometidas a fuertes tensiones de embridamiento por condiciones de rigidez. Se utilizan ampliamente en la soldadura de estructuras metálicas, recipientes sometidos a presión, construcción naval y maquinaria. Para resolver el problema de su fuerte higroscopicidad, actualmente se están desarrollando electrodos básicos menos propensos a captar humedad: electrodos LMA (Low Moisture Absortion).

Electrodos de gran rendimiento.

Clasificación AWS de electrodos para aceros al carbono: AWS-E-6027 (ácido), AWS-E-7014 (rutilo), AWS-E-7018 (básico), AWS-E-7024 (rutilo) y AWS-E-7028 (básico).

Características específicas.

Se denominan electrodos de gran rendimiento aquellos que, cualquiera que sea la naturaleza de la composición de su revestimiento, tienen un rendimiento gravimétrico superior al 130%. Si en los electrodos clásicos, como acabamos de ver, el rendimiento suele oscilar entre el 80% y 100%, con esta clase de electrodos se puede llegar hasta el 240%.

El rendimiento de un electrodo viene dado por la relación del peso del metal depositados al peso de la varilla fundida. La norma UNE-14.038 versa sobre la determinación del rendimiento de los electrodos. En general, para su evaluación se desprecian 40 mm de su longitud, aproximadamente igual a la parte desnuda del alma que se aloja en la pinza portaelectrodos de 450 mm y 310 mm para los que poseen una longitud original de 350 mm.

Esta clase de electrodos fue desarrollada por VAN DER WILLIGEN en Holanda a partir del año 1.947, añadiendo polvo de Fe al revestimiento. Parece lógico suponer que la posición sobremesa es la más fácil y favorable para la soldadura. En efecto, en esa posición el metal fundido se beneficia de la fuerza de la gravedad y se pueden conseguir las máximas velocidades de deposición. Después de ésta, la más ventajosa es la horizontal en ángulo. Por la economía que supone soldar en ambas posiciones se han desarrollado electrodos específicos que únicamente pueden emplearse en estas posturas de soldeo. Pertenecen a este grupo aquellos electrodos cuya penúltima cifra en su designación AWS es un 2. Se les llama también electrodos de contacto. El rendimiento de un electrodo, en general, es función de la naturaleza del revestimiento, del diámetro y de la intensidad de la corriente.

Aplicaciones.

Estos electrodos requieren altas intensidades de soldeo para lograr fundir, además del alma, el polvo de Fe agregado a su revestimiento, por lo que resulto necesario fuentes de energía potentes. Se seleccionan para reducir costes en soldadura, tanto en construcción naval como en talleres de calderería pesada.

Los electrodos de contacto se emplean en soldadura por gravedad mediante unos aparatos mecánicos. En los astilleros, cada operarios puede controlar 2-4 aparatos simultáneamente. Los electrodos básicos de gran rendimiento con elevadas características mecánicas son utilizadas en construcción off-shore y calderería pesada, donde se exigen altos valores de impacto a baja temperatura.

6. Selección del tipo de corriente.

La clase de corriente depende fundamentalmente del tipo de electrodo que se va a utilizar. A pesar de que la corriente continua es la más común, la amplia gama de electrodos actualmente en el mercado, que deben utilizarse con corriente alterna han hecho que crezca el uso de este tipo de corriente.

El coste de la energía con corriente alterna es menor que con corriente continua pero representa una parte poco relevante del coste total de soldadura, no siendo un factor decisivo la selección del tipo de corriente.

Comparación entre uso de corriente continua y alterna.

7. Aplicaciones.

El proceso SMAW se utiliza por su versatilidad en una amplia gama de aplicaciones tanto en taller como en obra en la soldadura de materiales de espesor superior a 1,5 mm. Los sectores de mayor aplicación son la construcción naval, de máquinas, estructuras, tanques y esferas de almacenamiento, puentes, recipientes a presión y calderería, etc. La selección de los electrodos tiene una influencia decisiva en la calidad y el coste de la soldadura.

Para el usuario, es muy importante disponer de una correcta relación de electrodos con finalidades específicas. En este sentido, los catálogos y folletos que editan los fabricantes suelen contener información hacer de diámetros, parámetros de uso, revestimientos y precauciones sobre el almacenaje y funcionamiento de cada uno de sus productos. Se expondrá a continuación dos aplicaciones, la primera por su novedad y la segunda por lo generalizado de su uso.

SOLDADURA BAJO AGUA.

Introducción.

Los propietarios de instalaciones marinas saben por experiencia que la soldadura realizada por buzos en contacto con el agua ofrece una deficiente calidad desde el punto de vista metalúrgico. En aquellas condiciones, es muy difícil cumplir las exigencias de la especificación 1104 del American Petroleum Institute, API.

La idea de soldar en seco en una cámara hiperbárica fue el resultado de los experimentos llevados a cabo por EDWIN LINK en el año 1.966. El objetivo era conseguir una soldadura en un ambiente a presión superior a la atmosférica, o hiperbárico, que pudiese satisfacer los requisitos de la API 1104. Desde esa fecha, el proceso ha evolucionado y está sujeto a continuos avances en cuanto a desarrollo de nuevas técnicas y equipos.

Definición.

La soldadura hiperbárica es un proceso de soldadura realizada en seco y a presión ligeramente superior a la columna de agua correspondiente a la profundidad a la que se está trabajando y en la que el soldador opera en seco dentro de una cámara o habitáculo dotada con un sistema de máscaras orales/nasales diseñado especialmente para soldadores, mecanismo de expulsión de gases, iluminación y control del ambiente junto con el equipamiento típico inherente a la operación a practicar.

Proceso de soldadura.

Las primeras soldaduras se hicieron totalmente con el proceso TIG. Recientes investigaciones aconsejan como mejor combinación, TIG para la pasada de raíz y SMAW para las pasadas de relleno. Hasta el momento se han desechado otros procesos de soldeo a causa de los reducido del recinto y la necesaria operatividad del soldador.

Debido a la precisión en el interior de la cámara hiperbárica y a su elevada humedad relativa, esta soldadura presenta variables que la hacen distinta a la realizada en condiciones atmosféricas estables. Estas variables son:

• Modificación de la estructura del arco eléctrico, siendo necesario una mayor tensión para mantener su estabilidad.
• Mayor penetración.
• Mayor producción de escoria.
• Mayor producción de humos, que dificultan la visibilidad. A profundidades de 75 m y mayores llegan incluso a impedir la observación del arco.
• Velocidades de enfriamiento elevadas debido al alto poder refrigerante de la mezcla de gas helio que se utiliza para presurizar la cámara.
• Cuando se suelda por el proceso de SMAW se producen fenómenos de difusión química que influyen en las reacciones metalúrgicas en el sentido de aumentar el contenido en C y disminuir el de Mn y Si.
• Mayor absorción de gases por el metal fundido, por soportar una presión mayor.

Equipo necesario.

El equipo para la realización de este tipo de soldadura consiste en:

Una habitación de chapa de acero totalmente soldada llamada cámara hiperbárica. Este compartimiento posee los medios necesarios para poder alinear las tuberías a reparar o unirlas por medio de tenazas accionadas con dispositivos hidráulicos.

La cámara se encuentra centrada entre el mecanismo de tenazas y está provista de tanques laterales de flotación. Estos tanques se utilizarán para la maniobra de inmersión y estabilidad del conjunto. Por medio de juntas especiales se sella el compartimiento y se procede al vaciado de agua. Dentro de la cámara se mantiene una atmósfera inerte para eliminar el peligro de incendio. Los soldadores respiran una mezcla de gases a través de un sistema de máscaras.

El sistema está conectado a la superficie por medio de una manguera, a modo de cordón umbilical, por donde se envían a la máscara gases para la respiración, gases para el soldeo y para el precalentamiento de la junta cuando sean necesarios, energía eléctrica para iluminación, comunicaciones telefónicas y energía para la soldadura. Existe un módulo de control en la superficie para coordinar todas las fases y operaciones y vigilar el estado físico de los soldadores. Normalmente, estas cámaras se fabrican de forma que sean fácilmente transportables por camión, ferrocarril, avión, etc.

Montajes y reparación de tuberías y plataformas.

Las plataformas marinas de extracción de crudo de petróleo, estructuras y líneas submarinas que se hayan y necesitan reparaciones o modificaciones a causa de deformaciones debidas a colisiones, efectos climatológicos u otros factores, se pueden reparar utilizando las cámaras hiperbáricas.

Estos compartimientos se construyen de acero y se sitúan empernados y sellados alrededor de la tubería o estructura. Para contrarrestar la tendencia a la flotabilidad de la cámara se utilizan cables de sujeción, tenazas o partes fijas o lastre, en función de la geometría del conjunto.

Una reparación típica incluye:

• corte y preparación de bordes;
• empalme por soldaduras en ángulo o a tope;
• amolado para la eliminación de la escoria.

Normalmente se emplea soldadura TIG para la primera pasada y soldadura con electrodos manuales de bajo contenido de hidrógeno o básicos para el relleno del resto de la junta. Las soldaduras en ángulo se realizan exclusivamente por SMAW. El proceso TIG, aunque más lento, facilita un buen ajuste y produce una soldadura de buena calidad. El proceso de soldadura SMAW se emplea por su facilidad de aplicación, por el poco equipamiento pues aquí la libertas de movimientos es esencial y fundamentalmente por su rapidez.

Campo de aplicación.

Actualmente las técnica de cámara hiperbárica o soldadura bajo presión con medios humanos llegan hasta los 200 m de profundidad. Por los ensayos realizados se prevé que el límite de utilización puede estas en los 300 m pues por el momento a mayor profundidad los problemas metalúrgicos y la utilización de buzos las hacen inviables, debiendo acudirse a otras técnicas.

SOLDADURA DE ESTRUCTURAS METÁLICAS SOMETIDAS A CARGAS ESTÁTICAS.

En la construcción de naves industriales a base de estructuras metálicas el autor recomienda seguir la Norma UNE-14.035 para el cálculo de los cordones de soldadura. Cuan la estructura pueda prefabricarse en taller, es posible la utilización de los procesos GMAW y SAW, que por su automatismo presentan ventajas económicas. Si ha de construirse en obra, es inevitable el uso total o parcial del proceso SMAW.

Desde el punto de vista constructivo, es técnicamente aceptable el uso de electrodos de rutilo, que presentan ventajas de rapidez y economía sobre los electrodos básicos, aunque estos últimos son aconsejables si se exige una buena tenacidad a las uniones soldadas, de acuerdo con la climatología del lugar de emplazamiento o las cargas dinámicas asociadas a la sustentación de la estructura. Ante la dificultad de realización de ensayos no destructivos, se recomienda utilizar una garganta mínima de 5 mm para aseguras la fusión.

Asimismo, resulta una buena práctica añadir 1mm como mínimo a la garganta resultante del cálculo, en concepto de sobreespesor disponible para corrosión durante la vida de la estructura.

Autor:

José Ramírez

Universidad Central de Venezuela. Facultad de Ingeniería.

Escuela de Ingeniería Mecánica.