Variables que afectan la
penetración de la soldadura
Otro artículo del sitio web de Lincoln Electric analiza la fusión de la
soldadura frente a la penetración de la soldadura, así como cuándo una
penetración más profunda puede ser beneficiosa o problemática. ¿Qué
variables de la soldadura afectan la penetración? ¿Cómo se puede lograr
mayor o menor penetración en una soldadura?
La profundidad de fusión (también conocida como "penetración") es la distancia que
la fusión se extiende hacia el metal base o la pasada anterior desde la superficie
fundida durante la soldadura. La Figura 1 muestra una sección transversal de una
soldadura de filete, donde se puede observar el perfil de penetración.
La variable de soldadura que más influye en el grado de penetración es la corriente
(medida en amperaje o amperios). En pocas palabras, a medida que aumenta la
corriente de soldadura (es decir, con mayor amperaje), la penetración aumenta, y a
medida que disminuye (es decir, con menor amperaje), la penetración
disminuye. La Figura 2 ilustra este punto con tres soldaduras realizadas a
diferentes niveles de corriente, manteniendo todas las demás variables constantes.
Figura 1
Figura 2
En los procesos de soldadura por arco que utilizan corriente constante (CC), la
corriente es la principal variable preajustable. Sin embargo, en los procesos que
utilizan voltaje constante (VC), el voltaje y la velocidad de alimentación del alambre
(VAA) son las principales variables preajustables, y los niveles de corriente son
resultado de la VAA. A medida que aumenta la VAA, también aumenta el nivel de
corriente correspondiente para ese tipo y diámetro de electrodo. Por el contrario, a
medida que disminuye la VAA, también disminuye la corriente.
Existen otras variables de soldadura que también afectan el grado de penetración.
Los siguientes puntos, sin ningún orden en particular, analizarán los efectos de cada
una de ellas en el nivel de penetración (suponiendo que todas las demás variables
se mantienen constantes). Tenga en cuenta que la figura 2 (arriba), así como las
figuras 3, 5, 6 y 7, mostrarán secciones transversales (y los niveles de penetración
resultantes) de soldaduras realizadas con el proceso de soldadura por arco
sumergido (SAW). Se eligió el proceso SAW para ilustrar el efecto (o la ausencia de
efecto) que estas diversas variables de soldadura tienen en el nivel de penetración
porque los resultados son más drásticos. La SAW se utiliza normalmente con niveles
de corriente muy altos, así como con velocidades de desplazamiento rápidas, niveles
de voltaje bastante altos y utiliza electrodos de mayor diámetro. Si bien los cambios
en estas variables de soldadura tendrán el mismo efecto en el nivel de penetración
cuando se utilicen otros procesos de soldadura por arco, debido a que el nivel de
corriente, etc., no son tan altos, las diferencias en la penetración no serán tan
drásticas.
• Polaridad: el tipo de polaridad de soldadura utilizado afecta el nivel de
penetración. Con la mayoría de los procesos de soldadura por arco, la
polaridad DC+ (electrodo de corriente continua positivo) produce una
mayor penetración de la soldadura, porque se enfoca más energía del arco
en la placa base. Por el contrario, la polaridad DC- (electrodo de corriente
continua negativo) produce una menor penetración de la soldadura,
porque se enfoca más energía del arco en el electrodo y no en la placa base.
Este es el caso de los procesos de soldadura por arco metálico protegido
(SMAW), soldadura por arco metálico con gas (GMAW), soldadura por arco
con núcleo fundente (FCAW) y SAW (ver figura 3). La excepción es el
proceso de soldadura por arco de tungsteno con gas (GTAW), en el que el
efecto de la polaridad en la penetración es opuesto. Con GTAW, la
polaridad DC- resulta en una mayor penetración de la soldadura
(generalmente
no
se
utiliza
la
polaridad
DC+).
Algunas fuentes de energía SAW avanzadas utilizan tecnología de control
de forma de onda y CA (corriente alterna) para proporcionar una excelente
estabilidad del arco y control entre las tasas de deposición de la soldadura
y los niveles de penetración de la soldadura. También tienen la capacidad
de controlar el equilibrio de la onda de CA, el desplazamiento de la
corriente y la frecuencia para un mayor control sobre las características de
la soldadura.
Figura 3
• Proceso de soldadura: los diversos procesos de soldadura por arco
presentan características de penetración de la soldadura asociadas. Por
ejemplo, los procesos SAW, FCAW y GMAW (en modo de transferencia de
metal por arco globular, por pulverización o por pulverización pulsada)
se caracterizan por sus altos niveles de penetración de la soldadura.
Mientras que los procesos GTAW, GMAW-C (núcleo metálico) y GMAW
(en modo de transferencia de metal por cortocircuito) se caracterizan por
sus bajos niveles de penetración. Por supuesto, esta correlación también
está relacionada con la corriente. Por ejemplo, el proceso SAW tiende a
utilizarse con corrientes muy altas, mientras que el proceso GMAW por
cortocircuito tiende a utilizarse con corrientes más bajas. El proceso
SMAW puede presentar una penetración más profunda o superficial,
según el tipo de electrodo utilizado.
• Tipo de electrodo: incluso dentro del mismo proceso de soldadura, los
electrodos de diferentes clasificaciones pueden tener distintas
características de penetración. Por ejemplo, en el proceso SMAW, un
electrodo E6010 suele tener una penetración más profunda, mientras que
un electrodo E7024 suele tener una penetración más superficial. Otro
ejemplo se puede observar en el proceso FCAW. Un electrodo E70T-1
suele tener una penetración más profunda, mientras que un electrodo
E71T-1 suele tener una penetración más superficial.
• Ángulo de recorrido: el grado del ángulo de recorrido, ya sea de empuje
o de arrastre, afecta la cantidad de fuerza del arco dirigida hacia la placa
base. Un ángulo de recorrido de 0° a 10° (es decir, con el electrodo
perpendicular o prácticamente perpendicular a la placa) resultará en una
mayor penetración de la soldadura. A medida que el ángulo de recorrido
se acentúa, el nivel de penetración de la soldadura disminuye.
• Tipo de gas de protección: Los gases de protección también influyen en
la penetración de la soldadura. Los gases de protección con mayor
conductividad térmica, como el 100 % de dióxido de carbono (CO₂) o el
100 % de helio (He), producen soldaduras con un perfil de penetración
más amplio y profundo. Por otro lado, los gases de protección con menor
conductividad térmica, como el 100 % de argón (Ar), o una mezcla de
Ar/CO₂ o Ar/oxígeno (O₂), presentan un perfil de penetración más
superficial y más cónico en el centro (véase la Figura 4 ).
Figura 4
Diámetro del electrodo: al soldar con dos diámetros diferentes del mismo
electrodo y al mismo nivel de corriente, generalmente se logra una mayor
penetración con el electrodo de menor diámetro que con el de mayor diámetro
(ver Figura 5 ). Si observa una rebanada final de cada tamaño de alambre, el
diámetro menor tiene menos área de sección transversal que el diámetro mayor.
Como la misma cantidad de corriente fluye a través de cada electrodo, la
concentración o densidad de corriente es mayor en el electrodo de menor diámetro
que en el electrodo de mayor diámetro. Como resultado de esta mayor densidad de
corriente, el electrodo de menor diámetro tendrá mayor penetración de soldadura
que el electrodo de mayor diámetro. Sin embargo, tenga en cuenta que cada
diámetro de electrodo tiene una densidad de corriente máxima antes de que el arco
de soldadura se vuelva muy inestable y errático. Entonces, a medida que la corriente
alcanza un cierto nivel, será necesario aumentar el diámetro del electrodo.
Figura 5
Velocidad de desplazamiento: la velocidad a la que el electrodo se desplaza por
la unión afecta el tiempo que la energía del arco tiene para transferirse a la placa
base en cualquier punto de la misma. A medida que aumenta la velocidad de
desplazamiento, el tiempo que el arco permanece sobre un punto determinado de la
unión disminuye, lo que resulta en un nivel de penetración menor. A medida que
disminuye la velocidad de desplazamiento, el tiempo que el arco permanece sobre
un punto determinado de la unión aumenta, lo que resulta en un nivel de
penetración mayor (véase la Figura 6 ).
Figura 6
• Variaciones de la CTWD: Con los procesos GMAW, FCAW y SAW, que
funcionan con fuentes de alimentación de voltaje constante (VC) y a una
velocidad y voltaje de alimentación de alambre fijos, al aumentar la
distancia de la punta de contacto a la pieza (CTWD), se genera mayor
resistencia al flujo eléctrico a través del electrodo, debido a su mayor
longitud (es decir, el conductor eléctrico metálico). A un nivel de voltaje
constante, este aumento de la resistencia provoca una disminución de la
corriente (es decir, la Ley de Ohm), lo que resulta en una disminución del
nivel de penetración. Por el contrario, al disminuir la CTWD, también
disminuye la resistencia. Por lo tanto, la corriente aumenta y, por
consiguiente, la penetración.
Una variable principal de la soldadura que prácticamente no tiene efecto en la
penetración de la soldadura es el voltaje del arco. Si bien los cambios en el voltaje
del arco pueden resultar en cambios mínimos en la penetración de la soldadura, el
efecto es muy menor en comparación con la corriente de soldadura y las otras
variables que acabamos de enumerar en este artículo. El voltaje del arco afecta la
longitud del arco. A la misma velocidad de alimentación del alambre, a medida que
aumenta el voltaje, la longitud del arco se hace más larga y a medida que disminuye
el voltaje, la longitud del arco se acorta. La longitud del arco, a su vez, determina el
ancho y el tamaño del cono del arco. A medida que disminuye la longitud del arco, el
cono del arco se vuelve más estrecho y el arco está más enfocado (ver Figura 7 ). El
resultado es un cordón de soldadura más estrecho y fibroso y el nivel de penetración
de la soldadura puede disminuir muy ligeramente. Por el contrario, a medida que
aumenta la longitud del arco, el cono del arco se hace más ancho y el arco es más
ancho. El resultado es un cordón de soldadura más ancho y plano y el nivel de
penetración de la soldadura puede aumentar muy ligeramente. El efecto del voltaje
del arco en la forma del cordón se puede ver claramente en la Figura 8 . Observe
también que se puede detectar una diferencia muy leve en la penetración de la
soldadura entre soldaduras realizadas a 27, 34 y 45 voltios (todas con el mismo
amperaje, velocidad de desplazamiento y diámetro de electrodo). Sin embargo,
tenga en cuenta que esta es una variación extremadamente grande en el voltaje del
arco, observada únicamente en esta muestra de soldadura para ilustrar este punto.
En la práctica, el voltaje del arco solo variaría unos pocos voltios al soldar. Por lo
tanto, el cambio en la penetración causado por un cambio de voltaje (solo) de unos
pocos voltios sería prácticamente inexistente.
Figura 7
Figura 8
Irónicamente, muchos soldadores creen erróneamente que el voltaje del arco es la
variable principal que afecta el nivel de penetración de la soldadura. A menudo, se
hace referencia incorrectamente al voltaje como "calor", donde los soldadores
aumentan el voltaje o "calor" para percibir una mayor penetración y lo reducen para
percibir una menor penetración. Esta idea errónea probablemente se debe a que
observan que el cordón de soldadura se ensancha con mayor voltaje y se vuelve
estrecho y fibroso con menor voltaje (como se ilustra en la Figura 8 ). Sin embargo,
como se explicó anteriormente, el perfil del cordón de soldadura se ensancha o se
estrecha con los cambios de voltaje, ya que el cono del arco se ensancha o se estrecha
con los cambios de voltaje. El nivel de penetración de la soldadura resultante con
diferentes niveles de voltaje del arco (pero con el mismo nivel de corriente)
prácticamente no varía.