Podría GTAW caliente

En GTAW de alambre caliente (GTAW-HW), un alambre calentado (a la derecha) se alimenta hacia la parte posterior de un baño de soldadura fundido creado por el arco del electrodo de tungsteno (a la izquierda).

Considere una aplicación de soldadura de tubería automatizada. Lo más probable es que utilice un proceso de soldadura por arco de tungsteno con gas alimentado por alambre (GTAW) para la pasada de raíz, luego se detenga y cambie a un proceso de soldadura por arco con núcleo fundente (FCAW) o soldadura por arco sumergido (SAW) para el relleno y la tapa. pasa Haría esto moviendo la tubería a una estación de soldadura separada o cambiando las fuentes de energía y la configuración de la antorcha.

Es un procedimiento común, sin duda, pero lleva tiempo. La cuestión es, ¿por qué no mantener la fuente de alimentación GTAW automatizada, la alimentación de alambre y la antorcha y calentar el alambre en lugar de usar procesos separados para las pasadas de raíz y relleno? ¿Por qué no utilizar simplemente el proceso GTAW hot-wire (GTAW-HW)? No es una idea descabellada considerando el éxito histórico de GTAW-HW en la industria del petróleo y el gas, en particular con el revestimiento.

Claro, esto no se aplica a ciertas aplicaciones de soldadura de tuberías, y GTAW-HW no puede superar las tasas de deposición de, digamos, SAW doble o en tándem. Pero en realidad no se trata simplemente de que un proceso de soldadura supere a otro. Mantener el mismo equipo para todas las pasadas de soldadura en una soldadura de tubería elimina el cambio, simplifica la capacitación del operador y ocupa menos espacio en el piso.

Las bajas tasas de deposición y las bajas velocidades de desplazamiento han sido el talón de Aquiles de GTAW. En toda la fabricación, si una planta ha automatizado su GTAW, mediante robótica o de otro modo, es probable que lo exijan los estrictos requisitos de calidad de la soldadura y que los requisitos de rendimiento sean demasiado grandes para los procesos manuales. Pero GTAW no tiene por qué ser lento, y ahí radica el verdadero potencial de GTAW-HW.

GTAW-HW utiliza dos fuentes de alimentación independientes. Uno energiza el electrodo de tungsteno para producir el arco de soldadura; el otro no produce ningún arco, sino que usa resistencia eléctrica para calentar un alambre que se alimenta a través de un tubo de contacto (similar a la punta de contacto en la soldadura por arco metálico con gas) y hacia el baño de soldadura.

El arco del electrodo de tungsteno simplemente derrite el metal base para crear un baño de soldadura. Un mecanismo separado alimenta el alambre a través de un tubo de contacto y hacia el baño de soldadura. El tubo de contacto es energizado por la fuente de alimentación de alambre caliente y precalienta el alambre a través de la resistencia eléctrica a un nivel justo en el punto de fusión cuando ingresa al baño de soldadura detrás (oa veces al costado) del electrodo de tungsteno. Debido a que el alambre se calienta hasta el punto de fusión, no enfría el baño de soldadura, sino que promueve una buena humectación a medida que el alambre se derrite y fluye a través del baño de soldadura fundido hacia los bordes de la soldadura.

Tenga en cuenta que el calentamiento del alambre tiene lugar entre el tubo de contacto y el baño de soldadura. Y siempre que la extensión del cable esté debajo de la copa de gas de protección de la antorcha, no se requiere una protección de gas separada en la antorcha de hilo caliente.

Calentar el alambre aumenta las tasas de deposición. También puede reducir la dilución entre el metal de soldadura y el metal base. Se sabe que tal configuración deposita 12 libras o más de metal de soldadura por hora cuando se suelda en la posición plana, y de 2 a 8 libras. por hora en la posición 2G (horizontal). En algunos casos, GTAW-HW puede soldar al cuádruple de la tasa de GTAW convencional.

El proceso GTAW-HW está diseñado para soldadura mecanizada y no es práctico para la operación manual. Esto se debe a que el alambre debe alimentarse a una velocidad constante en un área definida, generalmente en la parte posterior del baño de soldadura; ahí es donde el baño de soldadura es más grande, dando al cable el objetivo más grande. Se llama el punto de impacto del cable y configurarlo para la pieza de trabajo es una parte fundamental de una configuración de hilo caliente. También es necesario mantener constante la altura de la antorcha y la distancia entre la punta y el trabajo en el alambre. Simplemente hay demasiadas variables para controlar para la operación manual.

Ubicado junto a la antorcha GTAW, el tubo de contacto se parece mucho al extremo de una antorcha GMAW, pero no desea que se comporte como tal. Es decir, no desea que se energice tanto que cree un arco separado. Ese arco creará salpicaduras a solo 0,125 pulgadas del electrodo de tungsteno, lo que a su vez contaminará el electrodo.

Una antorcha doble GTAW-HW reviste el diámetro interior de una tubería.

Por esta razón, la fuente de energía de hilo caliente (nuevamente, separada de la fuente de energía que energiza el electrodo de tungsteno) está diseñada para evitar que se forme un arco. La formación de arcos requiere un voltaje mínimo, y si el sistema permanece por debajo de ese umbral, tanto durante el voltaje de circuito abierto inicial (OCV) como durante el voltaje de funcionamiento, no se pueden producir arcos.

Pocas o ninguna otra fuente de poder de soldadura eléctrica requiere un OCV tan bajo. Otros procesos como la soldadura por arco de metal blindado (SMAW), GMAW y SAW necesitan un OCV alto para ayudar a iniciar el arco. La fuente de energía de hilo caliente en GTAW-HW tiene como objetivo tener un OCV tan bajo que sea casi igual al voltaje de operación.

Esto se puede lograr a través de circuitos o software, cuyos detalles pueden profundizar en el diseño de la fuente de energía. Pero el diseño no es novedoso, particularmente cuando se trata de los circuitos. En la década de 1960, Gus Manz, un ingeniero de soldadura que literalmente escribió el libro sobre el diseño de fuentes de energía (The Welding Power Handbook), usó un transformador de voltaje constante que permitía que el OCV fuera equivalente a los voltios operativos.

Los sistemas modernos utilizan circuitos electrónicos de disparo de ángulo de fase o tecnología de inversor, pero la idea es básicamente la misma: mantener presionado el OCV para que permanezca igual al voltaje al que opera el sistema. Una vez más, tanto la OCV como los voltajes operativos son tan bajos, a veces menos de 3 V, que no se pueden producir arcos. Otras fuentes de energía usan software para lograr el mismo resultado, detectando las características eléctricas de la formación del arco y luego ajustándolas antes de que el arco tenga la oportunidad de ocurrir.

Debido a que GTAW-HW utiliza dos fuentes de energía independientes, es inevitable cierta desviación del arco. Aunque la fuente de energía de hilo caliente no produce un arco, sí produce un campo electromagnético que interactúa con el arco en el electrodo de tungsteno.

Cualquier fuente de energía puede operar en corriente continua (CC) o corriente alterna (CA). DC es más común para la fuente de energía de la antorcha GTAW. Para la fuente de alimentación de hilo caliente, la CA tiende a ayudar en el proceso. Su campo electromagnético desvía el arco de soldadura hacia adelante y hacia atrás en el baño de soldadura, creando un efecto de agitación. Esto mejora la humectación de los bordes y ayuda a romper los óxidos de la superficie en el baño de soldadura, minimizando las inclusiones.

La CA de la fuente de alimentación de hilo caliente, que de nuevo hace que el arco oscile de un lado a otro, dobla el arco en la dirección de avance. Esto promueve lo que se conoce como seguimiento de electrodos y permite una mayor velocidad de desplazamiento. Convencionalmente, una antorcha puede moverse solo hasta cierto punto antes de que el arco se retrase. En un escenario de seguimiento de electrodos, el arco oscilante barre más hacia adelante que hacia atrás, produciendo una característica eléctrica que aumenta la velocidad de desplazamiento de la antorcha.

Las fuentes de energía de hilo caliente pueden funcionar con corriente constante (CC), pero el voltaje constante (CV) generalmente es más beneficioso. En una situación CV, el operador aumenta el voltaje del hilo caliente hasta que escucha un "estallido" en el arco y luego reduce el voltaje justo por debajo de ese punto (alrededor de 0,1 V). A partir de ahí, el proceso se vuelve autorregulador y autoadaptativo. Cuando aumenta la protuberancia del cable, la corriente cae; cuando aumenta la alimentación de alambre, la corriente sube y el voltaje permanece constante, de forma segura por debajo del nivel en el que se formará un arco.

Las características de la fuente de alimentación de hilo caliente CV son similares a las de GMAW; a medida que aumenta la velocidad de alimentación del alambre, la corriente aumenta y, a medida que aumenta la extensión del alambre, la corriente disminuye. Dicho esto, el cambio en la corriente del hilo caliente tiene un efecto insignificante en la penetración del cordón de soldadura, ya que solo se utiliza para fundir el hilo de soldadura.

Al igual que en GMAW, GTAW-HW tiende a beneficiarse al elegir el cable de mayor diámetro que sea práctico. Un alambre de mayor diámetro es menos costoso y también permite una mayor deposición a una velocidad de alimentación de alambre más lenta, simplemente porque es un alambre más grande. Esto, a su vez, mejora la vida útil del tubo de contacto. Un alambre más grande también reduce el área de la superficie en relación con el volumen total de soldadura (menor proporción de superficie a volumen de soldadura), lo que minimiza la contaminación de la soldadura. El cable más grande también es más rígido y menos susceptible a desviarse. Y nuevamente, el diámetro del alambre no tiene influencia en la penetración ya que simplemente deposita metal en el baño de soldadura. La penetración de la soldadura es una función de la corriente en el arco de soldadura.

GTAW-HW reviste la superficie de un orificio de intersección.

Gracias al metal de aporte calentado, el arco del electrodo de tungsteno ahora tiene mucho menos que lograr que con el GTAW convencional (de alambre frío). En la GTAW de hilo frío convencional, el calor del arco debe derretir el metal base y el hilo de soldadura añadido.

Agregado en frío en GTAW convencional, el alambre generalmente se introduce en el borde de ataque del baño de soldadura frente al arco. Con GTAW-HW, el metal de aporte calentado aumenta las tasas de deposición y las velocidades de desplazamiento porque la energía del arco puede dedicarse en gran medida a crear el baño de soldadura y no a derretir el alambre agregado. Esto produce la calidad de soldadura de GTAW convencional pero en un paquete mucho más productivo.

Una de las razones por las que el proceso puede lograr una fusión excelente incluso a tasas de dilución muy bajas es el hecho de que el calor del arco derrite el metal base y el alambre caliente se agrega a la parte posterior del baño de soldadura detrás del electrodo. Calentar el alambre antes de que ingrese al baño de soldadura también ayuda. A medida que el alambre se calienta hasta el punto de fusión, las impurezas de la superficie del alambre, el lubricante de extracción y la alimentación ayudan a quemarse.

Todo esto llamó la atención de la industria del petróleo y el gas sobre GTAW-HW. A medida que la industria petrolera continúa perforando más profundamente, es más probable que el petróleo que extrae sea agrio. El aceite agrio reacciona con el acero sin protección y provoca grietas inducidas por hidrógeno, un problema que ha llevado a fallas de miles de millones de dólares (eso es miles de millones con una "b"). El alto costo, los largos plazos de entrega y las formas intrincadas de las piezas submarinas para yacimientos petrolíferos hacen que GTAW sea ideal, gracias a su soldadura de alta calidad con índices de rechazo muy bajos. Pero el alto volumen de metal de soldadura requerido hace que las ganancias de productividad del proceso de hilo caliente sean esenciales.

Gran parte de la industria del petróleo y el gas trabaja con estándares que requieren que el revestimiento soldado tenga una química de menos del 5 por ciento de hierro. Para lograr esos bajos niveles de dilución, la industria debe confiar en un proceso de baja dilución como GTAW-HW.

Muchas aplicaciones de revestimiento de petróleo y gas involucran geometrías intrincadas y desafiantes, y el criterio de aceptación es extremadamente estricto, lo que implica técnicas de inspección como pruebas ultrasónicas y de penetración de tinte.

Diseñar algunas configuraciones es como construir un barco en una botella. No es inusual que la antorcha y la alimentación de alambre lleguen a 40 pies por debajo de un tubo de 5 pulgadas de diámetro. tubería o 3 pies dentro de una válvula en la intersección de dos orificios que se cruzan. Estas aplicaciones críticas involucran un monitoreo intensivo del arco y, a veces, cámaras de video. Los amperios, los voltios, la velocidad de desplazamiento y todas las demás variables se rastrean en tiempo real para mantener el proceso dentro de los límites de tolerancia.

Debido a que muchas de estas piezas son materiales de alta resistencia y baja aleación (HSLA), deben precalentarse. Un programa de robot generado a partir de un modelo CAD no tendría en cuenta el crecimiento térmico, por lo que los operadores deben realizar alguna enseñanza manual. Aún así, la enseñanza no lleva mucho tiempo. Establecen los puntos de inicio y finalización y, a partir de ahí, el software calcula las docenas y, a veces, cientos de puntos de inicio y finalización de soldadura en el medio, sin la intervención del operador. Después de la soldadura, estas piezas críticas reciben un tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT) en un horno para reducir la dureza de la zona afectada por el calor del metal base y mantener la dureza dentro de las especificaciones requeridas.

El PWHT puede ser un proceso largo y, si se realiza demasiadas veces, puede afectar la calidad de la pieza. Si una parte está defectuosa y necesita volver a soldarse, eso agrega algún costo, pero los costos no terminan ahí. Puede PWHT solo tantas veces antes de que sea necesario desechar una pieza costosa. Este entorno no puede tolerar los defectos de soldadura, razón por la cual estas y otras aplicaciones de petróleo y gas han confiado en GTAW-HW durante tanto tiempo.

GTAW-HW tiene algunas características inherentes que hacen que estas desafiantes aplicaciones sean aún más confiables y repetibles. Es un proceso de baja emisión de humos, que elimina los problemas relacionados con los humos y las partículas en espacios reducidos o confinados. El alambre se alimenta directamente desde detrás del ensamblaje de la antorcha y a través de un conducto que está diseñado lo más recto posible para que el alambre llegue al baño de soldadura de manera confiable. Y no hay salpicaduras de soldadura como se ve con GMAW.

GTAW-HW utiliza dos fuentes de energía, una que activa la antorcha GTAW y otra que calienta el alambre.

Aunque la ubicación de esa alimentación de alambre en la piscina, ese punto de impacto del alambre, es fundamental, la consistencia de la velocidad de alimentación es algo indulgente, al menos en comparación con GMAW. GTAW-HW es inherentemente más tolerante a variaciones menores de alimentación. La razón detrás de esto se remonta a las características del proceso. Digamos que la alimentación de alambre se detiene momentáneamente o que la antorcha reduce su velocidad de desplazamiento. En GMAW, dicha variación perturbaría el arco, produciría más salpicaduras de soldadura o incluso extinguiría el arco por completo. GTAW-HW se basa en el calentamiento por resistencia del alambre, un proceso que parece ser menos susceptible a las variaciones de avance y recorrido del alambre.

GTAW-HW es conocido por sus características muy estables y de baja dilución, pero esto no limita necesariamente el proceso al revestimiento de precisión. Cuando se trabaja con una geometría de junta ranurada convencional, el calor del arco en GTAW-HW todavía controla la penetración de la junta y la fusión de la pared lateral independientemente de la velocidad de alimentación del alambre. Las tasas de deposición pueden variar entre 1 y 12 libras/hora sin sacrificar la calidad de la soldadura.

Las aplicaciones de hilo caliente se extienden más allá de GTAW. De hecho, procesos como el arco de plasma y la soldadura por rayo láser pueden beneficiarse de un alambre calentado. Para la soldadura láser en particular, la integración de una alimentación de hilo caliente puede permitir que el láser suelde mucho más de lo que podría por sí solo y a un costo reducido. Esto se debe a que 1 vatio (W) de fotones (en el láser) es muy caro en comparación con 1 W de electrones (en el calentamiento por resistencia del cable).

Muchos ingenieros y gerentes de planta pueden suponer que las operaciones de soldadura críticas solo toman tiempo, que un mayor rendimiento simplemente no está en las cartas. Pero el potencial del alambre caliente ha cambiado la plataforma.

En el sentido más amplio, un alambre calentado tiene el potencial de aumentar los niveles de productividad en numerosos procesos de soldadura críticos en toda la industria. Con más fabricantes de fuentes de alimentación para soldadura que introducen equipos de hilo caliente, los departamentos de soldadura ahora tienen otra opción a considerar.

Dan Allford es presidente y Dave Hebble es gerente de servicios técnicos de Arc Specialties.